PENGEMBANGAN SIMULASI DAN UJI KINERJA PENGENDALI PI SISTEM KENDALI DAYA PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU SKRIPSI UNGU PRIMADUSI

UNIVERSITAS INDONESIA

PENGEMBANGAN SIMULASI DAN UJI KINERJA PENGENDALI PI SISTEM KENDALI DAYA PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

SKRIPSI

UNGU PRIMADUSI 0806366453

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO DEPOK JUNI 2010

UNIVERSITAS INDONESIA

PENGEMBANGAN SIMULASI DAN UJI KINERJA PENGENDALI PI SISTEM KENDALI DAYA PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

UNGU PRIMADUSI 0806366453

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO DEPOK JUNI 2010

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

Nama

: Ungu Primadusi

NPM

: 0806366453

Tanda Tangan

:

Tanggal

: 28 Juni 2010

ii Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh Nama NPM Program Studi Judul Skripsi

: : Ungu Primadusi : 0806366453 : Teknik Elektro : Pengembangan Simulasi Dan Uji Kinerja Pengendali PI Sistem Kendali Daya Pada Pembangkit Listrik Tenaga Bayu

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

DEWAN PENGUJI

Pembimbing : Dr.Abdul Halim, M.Eng

(

)

Penguji

: Dr. Ir. Ridwan Gunawan, MT

(

)

Penguji

: Dr. Eko Adhi Setiawan

(

)

Ditetapkan di : Depok Tanggal

: 28 Juni 2010

iii Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

UCAPAN TERIMAKASIH

Puji syukur Saya panjatkan kepada Allah SWT atas berkat dan rahmat-Nya, Saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Saya ucapkan Terima Kasih kepada:

Dr.Abdul Halim, M.Eng Sebagai Dosen Pembimbing

Yang telah memberikan ilmu, waktu dan tenaga selama penyelesaian Tugas Akhir ini. Harapan penulis, semoga skripsi ini dapat memberikan pengetahuan yang bermanfaat bagi penulis maupun pembaca.

iv Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

LEMBAR PERSEMBAHAN

Saya persembahan karya ini untuk

Orang Tua Tercinta dan Keluarga

Yang telah memberikan dorongan secara moril dan materil untuk dapat menyelesaikan Tugas akhir ini dengan baik. Dan juga, Terima Kasih kepada :

1. Bapak Dr. Ir. Ridwan Gunawan, MT sebagai Penguji I 2. Bapak Dr. Eko Adhi Setiawan sebagai Penguji II 3. Bapak Cuk Ali Nandar dari BPPT 4. Rekan-rekan Elektro Ekstensi angkatan 2008 5. Sahabat-sahabat : Lia Nurmalasari, Puji, Indah Purnamasari, Fifin, Fitria dan Vina

v Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama

: Ungu Primadusi

NPM

: 0806366453

Program Studi : Teknik Elektro Departemen

: Teknik Elektro

Fakultas

: Teknik

Jenis karya

: Skripsi

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive RoyaltyFree Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul : Pengembangan Simulasi Dan Uji Kinerja Pengendali PI Sistem Kendali Daya Pada Pembangkit Listrik Tenaga Bayu

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif

ini

Universitas

Indonesia

berhak

menyimpan,

mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Depok Pada tanggal : 28 Juni 2010 Yang menyatakan

( Ungu Primadusi)

vi Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

ABSTRAK

Nama : Ungu Primadusi Program Studi : Teknik Elektro judul : Pengembangan Simulasi Dan Uji Kinerja Pengendali PI Sistem Kendali Daya Pada Pembangkit Listrik Tenaga Bayu

Sekarang ini, energi angin dapat dimanfaatkan sebagai alternatif sumber tenaga listrik melalui Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. Kecepatan angin tergantung pada dimensi waktu dimana setiap saat mengalami perubahan. Untuk itu perlu desain sistem kendali agar input dan output di pembangkit menjadi stabil. Dalam hal ini kecepatan angin sebagai input dan daya listrik sebagai output. Tugas akhir ini berfokus pada pengendali torsi turbin angin dan daya listrik sebagai output pembangkit. Model pembangkit yang dipakai adalah variable speed wind turbine (VSWT) dengan generator induksi doubly fed. Untuk membatasi torsi turbin angin yang digunakan untuk menggerakan poros generator dan daya turbin (sebagai daya referensi) pada P&Q Control akibat perubahan putaran turbin digunakan lookup table. Pengendali Proposional plus Integral (PI) mampu menstabilkan daya listrik dari generator. Pengendali PI tergantung oleh gain dan waktu integral. Untuk menunjukkan kinerja pengendali daya, simulasi dengan mempergunakan MATLAB/Simulink.

Kata Kunci : pembangkit listrik tenaga bayu, variable speed wind turbine, generator induksi doubly fed, kendali daya, kendali proposional plus integral (PI), simulasi

vii Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

ABSTRACT

Name : Ungu Primadusi Study Program : Electrical Title : Modification of Simulation And Test Performance PI Controller Power of Control In Wind Turbine

Nowdays, wind energy can used for alternative energy in power system with wind turbine. Wind speed depends of time whereas can be changed every seconds. For this case, needing design control system to made of stabilitize input and output in wind turbine system. This project focused in torque and output power control. This system categorize of variable speed wind turbine with doubly fed generator induction. Look up table use for minimize torque turbine which used for shaft generator and power (as reference power) in P&Q Control caused of rotational turbine. Propotional plus Integral (PI) can stability power in induction generator. PI controller depends of two parameters : gain and integral time. In this simulation, we use MATLAB/simulink to look performance of controller.

Key Word : wind turbine, variable speed wind turbine, doubly fed generator induction, power control, propotional plus integral (PI) controller, simulation

viii Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL…......................................................................................... HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS................................................. LEMBAR PENGESAHAN.................................................................................... UCAPAN TERIMA KASIH............................................................................. LEMBAR PERSEMBAHAN............................................................................... HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH......................... ABSTRAK......................................................................................................... ABSTRACT....................................................................................................... DAFTAR ISI...................................................................................................... DAFTAR GAMBAR.......................................................................................... DAFTAR TABEL.............................................................................................. DAFTAR SIMBOL...........................................................................................

i ii iii iv v vi vii viii ix xi xiii xiv

BAB 1 PENDAHULUAN.................................................................................... 1 1.1 LATAR BELAKANG...................................................................... 1 1.2 TUJUAN PENULISAN.................................................................... 2 1.3 BATASAN MASALAH................................................................... 2 1.4 METODOLOGI PENELITIAN........................................................ 3 1.5 SISTEMATIKA PENULISAN......................................................... 3 BAB II LANDASAN TEORI……….............................................................. 2.1 GAMBARAN UMUM SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU (PLTB)................................................................. 2.2 JENIS PLTB…….…….................................................................... 2.3 ANGIN (WIND)………................................................................. 2.3.1 Syarat dan Kondisi………..………….................................. 2.3.2 Energi Kinetik………............................................................ 2.3.3 Energi Kinetik………............................................................ 2.4 TURBIN ANGIN............................................................................. 2.4.1 Gaya Pada Turbin……………………................................... 2.5 DRIVE TRAIN………..……........................................................... 2.6 SISTEM KONTROL........................................................................ 2.6.1 Secara Umum…….………..…………................................. 2.6.2 Sistem Orde Satu…….......................................................... 2.6.3 Sistem Orde Dua…….......................................................... 2.6.4 Pengendali Analog PI….......................................................... 2.6.4.1 Proposional plus Integral....................................... 2.6.4.2 Proposional……….…........................................... 2.6.4.3 Integral………………........................................... 2.6.5 Pengendalian PLTB…......................................................... 2.6.5.1 Speed Control………............................................. 2.6.5.2 Pitch Control……….…......................................... 2.6.5.3 Power Control………............................................ 2.7 MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT)…................... 2.8 GENERATOR INDUKSI DOUBLY FED.....................................

ix Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

4 4 6 8 10 12 12 14 18 19 20 20 24 25 26 27 27 28 29 31 31 32 33 35

BAB III MODEL MATEMATIK PLTB............................................................ 3.1 ANGIN……………......................................................................... 3.2 TURBIN ANGIN……...................................................................... 3.2.1 Daya Turbin Angin Ideal……………................................... 3.2.2 Daya Turbin Angin Secara Riil………................................. 3.3 DRIVE TRAIN……….................................................................... 3.4 GENERATOR INDUKSI DOUBLY FED....................................... 3.4.1 Rangkaian Ekuivalen…………………................................. 3.4.2 Persamaan DFIG Dengan Komponen d-axis dan q-axis........ 3.4.3 Persamaan Variabel………………….................................. 3.5 SISTEM KENDALI………….........................................................

38 38 39 39 40 41 43 43 44 46 48

BAB IV SIMULASI PLTB…………….......................................................... 4.1 ANGIN……………........................................................................ 4.2 ROTOR TURBIN ANGIN…........................................................... 4.3 DRIVE TRAIN……….................................................................... 4.4 GENERATOR INDUKSI DOUBLY FED..................................... 4.5 P&Q CONTROL…………….......................................................... 4.6 SUMBER TEGANGAN TIGA FASA (uRST).................................

50 50 51 53 53 55 57

BAB V SIMULASI DAN ANALISA HASIL..................................................... 5.1 SISTEM MEKANIK….................................................................... 5.1.1 Karakteristik Turbin…........................................................... 5.1.2 Grafik Hubungan Daya Keluaran Terhadap Rotasi Turbin.... 5.2 UJI KINERJA KENDALI DAYA..................................................... 5.2.1 Spesifikasi Parameter............................................................. 5.2.2 Sistem Turbin Bekerja Saat Kecepatan Tidak Konstan.......... 5.2.2.1 Kecepatan Angin 6 m/s.......................................... 5.2.2.2 Kecepatan Angin 7 m/s ......................................... 5.2.2.3 Kecepatan Angin 8 m/s .......................................... 5.2.2.4 Kecepatan Angin 9 m/s ......................................... 5.2.2.5 Kecepatan Angin 10 m/s .........................................

58 58 60 61 62 63 64 64 66 68 70 72

BAB VI KESIMPULAN.................................................................................. 6.1 KESIMPULAN.............................................................................. 6.2 SARAN..........................................................................................

74 74 74

DAFTAR REFERENSI LAMPIRAN

x Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema PLTB..................................................................................... .4 Gambar 2.2 Skema kerja dan komponen turbin angin...........................................5 Gambar 2.3 Skema VSWT dipasang DFIG,PMSG dan WFSG.......................... .7 Gambar 2.3 (a) VSWT-DFIG.................................................................................... .7 Gambar 2.3 (b) VSWT-PMSG...................................................................................7 Gambar 2.3 (c) VSWT-WFSG...................................................................................7 Gambar 2.4 Ilustrasi aliran angin..........................................................................8 Gambar 2.5 Profil umum geseran angin..............................................................10 Gambar 2.6 Grafik daya output terhadap kecepatan angin..................................11 Gambar 2.7 Grafik tekanan dan kecepatan angin................................................13 Gambar 2.8 Turbin angin sumbu horizontal dan vertikal....................................14 Gambar 2.9. Turbin angin dengan 3 sudu.............................................................18 Gambar 2.10 Rigid drive train...............................................................................19 Gambar 2.11 Flexible drive train...........................................................................19 Gambar 2.12 Komponen sistem kendali................................................................20 Gambar 2.13 Diagram blok sistem kontrol lup terbuka.........................................21 Gambar 2.14 Diagram sistem kontrol lup tertutup................................................22 Gambar 2.15 Sistem lup tertutup...........................................................................23 Gambar 2.16 Respon trasien orde satu..................................................................24 Gambar 2.17 Respon trasien orde dua...................................................................25 Gambar 2.18 Grafik Perbandingan Tanggapan PID............................................. 29 Gambar 2.19 Model sistem kontrol PLTB menggunakan DFIG........................... 30 Gambar 2.20 Sistem kontrol kecepatan................................................................. 31 Gambar 2.21 Model pengendali pitch....................................................................32 Gambar 2.22 Bagan power control........................................................................ 32 Gambar 2.23 Karakteristik daya output dan torsi turbin angin dengan MPPT......33 Gambar 2.24 Grafik Daya mekanik turbin dan daya generator terhadap kecepatan rotasi turbin pada saat maksimum................... 34 Gambar 2.25 Doubly-fed induction generator......................................................36 Gambar 2.26 Skematik DFIG................................................................................ 37 Gambar 3.1 Angin dengan turbulensi 12 persen..................................................38 Gambar 3.2 Ilustrasi aliran angin pada turbin......................................................39 Gambar 3.3 Drive Train dan struktur ................................................................. 41 Gambar 3.4 Rangkaian ekuivalen DFIG............................................................ 43 Gambar 4.1 Model Angin ................................................................................... 51 Gambar 4.2 Model rotor turbin angin.................................................................. 52 Gambar 4.3 Model drive train single mass.......................................................... 53 Gambar 4.4 Model generator............................................................................... 54 Gambar 4.5 Model P&Q Control ....................................................................... 55 Gambar 4.6 Model PI regulator1......................................................................... 56 Gambar 4.7 Model PI regulator2......................................................................... 56 Gambar 4.8 Model uRST..................................................................................... 57 Gambar 5.1. Sistem mekanik................................................................................58 Gambar 5.2. Profil Turbin Angin.......................................................................... 59 Gambar 5.3. Karakteristik Turbin angin............................................................... 61

xi Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

Gambar 5.4. Gambar 5.5. Gambar 5.6. Gambar 5.7. Gambar 5.8. Gambar 5.9. Gambar 5.10. Gambar 5.11. Gambar 5.12. Gambar 5.13. Gambar 5.14. Gambar 5.15. Gambar 5.16. Gambar 5.17. Gambar 5.18. Gambar 5.19. Gambar 5.20.

Daya output turbin angin................................................................. 62 Kecepatan rotasi turbin…………………………………................ 64 Cp (v=6 m/s, turbulensi 2 persen)…................................................. 65 Daya turbin (v=6 m/s, turbulensi 2 persen)..................................... 65 Torsi (v=6 m/s, turbulensi 2 persen) .............................................. 66 Cp (v=7 m/s, turbulensi 2 persen...................................................... 67 Daya turbin ( v=7 m/s, turbulensi 2 persen)................................... 67 Torsi ( v=7 m/s , turbulensi 2 persen)............................................. 68 Cp (v=8 m/s, turbulensi 2 persen).................................................... 69 Daya turbin ( v=8 m/s, turbulensi 2 persen)................................... 69 Torsi (v=8 m/s , turbulensi 2 persen) ............................................ 70 Cp (v=9 m/s, turbulensi 2 persen).................................................... 71 Daya turbin ( v=9 m/s, turbulensi 2 persen)................................... 71 Torsi (v=8 m/s , turbulensi 2 persen) ............................................ 72 Cp (v= 10 m/s , turbulensi 2 persen)................................................ 72 Daya turbin (v= 10 m/s , turbulensi 2 persen)................................. 73 Torsi (v= 10 m/s , turbulensi 2 persen)........................................... 73

xii Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Standar kelas kecepatan angin .............................................................. 11 Tabel 2.2. Tanggapan sistem control PI terhadap Perubahan Parameter...............

28

Tabel 4.1. Parameter toolbox model angin............................................................. 50 Tabel 4.2. Parameter toolbox model turbin angin................................................... 52 Tabel 4.3. Parameter toolbox model drive train..................................................... 53 Tabel 4.4. Parameter toolbox model generator ...................................................... 55 Tabel 4.5. Parameter toolbox P&Q Control........................................................... 57 Tabel 5.1. Karakteristik Turbin Angin...................................................................

60

Tabel 5.2. Parameter Komponen Mekanik ............................................................ 63 Tabel 5.3. Parameter Generator ............................................................................. 63

xiii Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

DAFTAR SIMBOL Simbol v

Keterangan kecepatan pada ketinggian h (m/s)

vref

kecepatan angin referensi (m/s)

href

ketinggian di mana pengukuran dilakukan (m)

Ek

energi kinetik (Joule)

ߩ

V

kecepatan angin (m/s)

Ptot

daya total angin (Watt)

m

aliran massa angin (Kg/s)

A

luas penampang (m2)

gc

faktor koreksi = 1 (Kg.m/N.s2)

A

gaya aksial (Kgm)

S

gaya sentrifugal (Kgm)

W

berat sudu (Kg)

T

gaya tangensial (Kgm)

v1

kecepatan relatif ujung sudu terhadap V (m/s)

P

daya (kW)

v2

kecepatan relatif titik berat sudu terhadapV (m/s)

R

radius sudu rotor (m)

߱௜

bilangan riil

KP

konstanta proporsional

ns

kecepatan sinkron /kecepatan medan putar stator (rpm)

fe

frekuensi tegangan AC yang diberikan pada stator (Hz)

P

jumlah kutub stator

β

pitch angle

Tg

torsi generator (Nm)

Tr

torsi turbin angin (Nm)

ߙ௜

s1,s2,..sn

massa jenis udara (Kg/m3)

bilangan imajiner akar persamaan karakteristik

xiv Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

Simbol

Keterangan

Jr

momen inersia turbin angin (Kgm2)

Jg

momen inersia generator (Kgm2)

Jem

momen inersia pada poros generator(Kgm2)

KV

konstanta daya turbulen (turbulence power)

TV

konstanta frekuensi turbulensi

CP

power coefficient

λ

tip speed ratio

N

Number of blades

Ωr

kecepatan rotasi rotor (rad/s)

Ωg

߱௥

Kecepatan generator (rad/s)

ܴ௠

kecepatan rotasi rotor (rad/s)

‫ܫ‬௦

arus rotor (Ampere)

ܴ௦

tegangan rotor (Ohm)

‫ܮ‬௦ఒ

Kecepatan rotasi slip

߱ଵ

induktansi leakage rotor (H)

߰௦

Slip

‫ܫ‬௥

resistansi magnetizing (Ohm)

ܴ௥

arus stator (Ampere)

ܸ௦

resistansi stator (Ohm)

ܸ௥

resistansi rotor (Ohm)

߱ଶ

tegangan stator (V)

‫ܮ‬௥ఒ

arus resistansi magnetising (Ampere)

‫ܫ‬ோ௠

induktansi leakage stator (H)

‫ܮ‬௠

Kecepatan rotasi stator (rpm)

߰௥

fluksi stator

‫ݏ‬

݅௠௦ ݅௥௬ ݅௥௫

induktansi magnetising (H)

fluksi rotor arus magnetizing stator (Ampere) arus rotor bidang y (Ampere) arus rotor bidang x (Ampere)

xv Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

Simbol ߰௠

Keterangan

߰௤௥

fluksi air gap

߰ௗ௦

fluksi stator sumbu q

ܸ௤௥

tegangan stator sumbu d (Volt)

߰ௗ௥

fluksi rotor sumbu q

߰௤௦

fluksi rotor sumbu d

ܸௗ௦

tegangan stator sumbu q (Volt)

ܲ௦

tegangan stator sumbu d (Volt)

ܸ௤௦

fluksi stator sumbu d

ܸௗ௥

tegangan rotor sumbu q (Volt)

݅௤௦

daya reaktif stator (Watt)

ܳ௦

daya aktif stator (Watt)

݅௤௥

arus stator sumbu d (Ampere)

݅ௗ௦

arus stator sumbu q (Ampere)

‫݈ܮ‬௦

arus rotor sumbu d (Ampere)

݅ௗ௥

arus rotor sumbu q (Ampere)

induktansi leakage stator (H)

ω

‫݈ܮ‬௥

kecepatan elektrik

‫ݎ‬௦

induktansi leakage rotor (H)

ܶ௘

resistansi rotor (Ohm)

ܸ௦௬

arus stator bidang y (Ampere)

‫ݎ‬௥

resistansi stator (Ohm)

݅௦௬

arus stator bidang x (Ampere)

݅௦௫

Torsi generator (Nm)

ܸ௥௫

tegangan stator bidang y (Volt)

ܸ௥௬

tegangan rotor bidang x (Volt) tegangan rotor bidang y (Volt)

xvi Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

Simbol

Keterangan

Ti

Waktu integral

V

kecepatan phase

Β

konstanta phase

u(t)

Variabel masukan

e(t)

Input

R(S)

Fungsi alih input

Y(S)

Fungsi alih output

G(s)

Gain fungsi alih

ωn

natural frequency

Ζ

damping ratio

Τ

time constant

Tr

rise time

Ts

setting time

Td

delay time

Tp

peak time

Mp

Overshoot

A

Amplitude

B

rise time

C

nilai maksimum angin

D

waktu saat angin turun

H

ketinggian dari permukaan tanah sampai hub turbin angin (m)

Pstator

Daya listrik stator (Watt)

Protor

Daya listrik rotor (Watt)

Pgrid

Daya listrik di grid (Watt)

xvii Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

1

BAB I PENDAHULUAN 1.1.

LATAR BELAKANG MASALAH Tahun 2010, industri energi angin diperkirakan memiliki kapasitas 40.000

MW untuk

mencukupi kebutuhan listrik 50 juta kepala keluarga. Menurut data

American Wind Energy Association (AWEA), saat ini telah ada sekitar 20.000 turbin angin diseluruh dunia yang dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Di Indonesia, blueprint energi Nasional sudah mencanangkan penggunaan energi angin sebagai sumber energi nasional hingga tahun 2025 dengan potensi energi angin sekitar 9,29 gigawatt. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi unjuk kerja pembangkit tenaga angin. Salah satunya adalah ketidakstabilan tegangan, daya ouput, maupun frekuensi dikarenakan kecepatan angin yang berubah-ubah terhadap waktu dan tidak dapat diprediksi besarnya. Untuk itu, pembangkit tenaga angin perlu sistem kendali untuk menjaga ketidakstabilan dan mengontrol kinerja pembangkit saat beroperasi. Pengendalian sistem turbin angin dapat dilakukan dengan torque control, speed control dan power control. Pengendali torsi (torque control) berfungsi untuk torsi turbin angin yang disebabkan oleh putaran turbin selalu berubah-ubah. Pengendali kecepatan digunakan untuk mengendalikan gerak maju baling-baling (pitch) di turbin angin ketika kecepatan angin melebihi kecepatan nominal. Sedangkan, pengendali daya (power control) bertujuan agar turbin angin menghasilkan daya output yang stabil tanpa dipengaruhi oleh kecepatan angin. Proposional-Integral (PI) dan MPPT merupakan kontroler yang bisa digunakan pada sistem turbin angin sebagai pengendali torsi, kecepatan ataupun daya. Salah satunya yaitu pengendali PI dapat menghasilkan respon cepat dan meminimalkan kesalahan (error).

Universitas Indonesia Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

2

Sekarang ini, sistem turbin angin yang digunakan umumnya berjenis pembangkit tenaga angin kecepatan variabel (wind turbine variable speed). Sistem ini didesain agar mendapatkan daya maksimum pada berbagai kecepatan. Pembangkit listrik angin tersebut terdiri dari generator induksi doubly fed (DFIG) dan konverter penuh (full converter) sebagai pengatur frekuensi. Konverter dapat menggunakan IGBT, diode (rectifier), atau thyristor. Ketidakstabilan bisa terjadi pada sistem turbin kecepatan variabel. Oleh karena itu, studi kasus akan dibahas yaitu pengendalian daya (power control) pada pembangkit listrik tenaga bayu.

1.2.

TUJUAN PENULISAN Tugas akhir ini bertujuan mendesain sistem kendali daya pada Pembangkit

Listrik Tenaga Bayu kecepatan variabel. Kendali yang didapatkan dimaksudkan agar mampu 1.

Menjaga torsi turbin angin ketika kecepatan angin berubah-ubah dengan cara mengatur kecepatan rotasi turbin angin (ωR).

2.

Menstabilkan daya turbin sehingga tidak mempengaruhi input generator induksi.

1.3.

BATASAN MASALAH Agar masalah yang akan dibahas menjadi jelas dan tidak banyak menyimpang

dari topik maka penulis menekankan pada beberapa hal,yaitu: •

Memodelkan kecepatan angin dengan spektrum Kaimal dengan kecepatan dengan kecepatan nominal sebesar 10 m/s

•

Pembangkit Listrik Tenaga Bayu bekerja pada kecepatan angin rata-rata 6-10 m/s

•

Kecepatan angin cut in 3 m/s dan kecepatan angin cut out 14 m/s

•

Perbandingan jumlah roda gigi pada drive train N1:N2 adalah 1:30

•

Menggunakan generator induksi doubly fed (DFIG)

•

Pengendali proposional plus integral (PI) digunakan untuk kendali daya listrik


3

1.4.

METODOLOGI PENELITIAN Metodologi yang dipergunakan dalam penelitian ini antara lain, adalah : studi

literatur, eksplorasi model matematik pembangkit listrik tenaga bayu, eksplorasi program MATLAB/Simulink, membuat simulasi, analisa data dan penyusunan laporan Tugas Akhir. Studi literatur dilakukan untuk mencari referensi buku, jurnal ilmiah dan makalah yang sesuai dengan topik pembahasan melalui internet ataupun perpustakaan. Eksplorasi model matematik dilakukan untuk mendapatkan model yang tepat sesuai dengan jenis pembangkit listrik yang dipergunakan. Tujuan eksplorasi simulink yaitu mempelajari aplikasi program MATLAB/Simulink. Berikutnya, pembuatan simulasi sistem pembangkit listrik tenaga angin yang sudah dimodelkan. Tahap selanjutnya, menganalisa parameter keluaran/output dari simulasi. Berdasarkan data yang sudah dianalisa, penulis akan membuat laporan Tugas Akhir.

1.5.

SISTEMATIKA PENULISAN Sistematika penulisan skripsi ini terdiri dari lima bab. Bab pertama membahas

mengenai latar belakang, tujuan penulisan, batasan masalah, rumusan masalah dan sistematika penulisan. Bab ini akan memberikan gambaran umum mengenai penulisan Tugas Akhir. Bab kedua mendeskripsikan teori dasar mengenai sistem Pembangkit Listrik Tenaga Bayu, energi angin serta komponennya, yaitu turbin angin, generator induksi doubly fed (DFIG), roda gigi (drive train) dan pengendali PI. Bab ketiga akan memuat persamaan matematis dari tiap komponen PLTB. Bab keempat berisi model simulasi sistem turbin angin pada simulink. Untuk bab kelima berisi hasil simulasi yang akan dianalisa. Dan bab terakhir yaitu bab enam memuat kesimpulan-kesimpulan dari skripsi ini.


4

BAB II LANDASAN TEORI

Bab 2 berisi gambaran umum dari sistem pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB), bentuk fisik dari komponen sistem maupun cara kerja sistem. Komponen sistem yang dijelaskan adalah angin, turbin angin, drive train, generator induksi doubly fed dan sistem kendali pada PLTB.

2.1

Gambaran Umum Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) Penggunaan

sumber

energi

fosil

untuk

pembangkit

(power

plant)

mengakibatkan emisi karbon dunia semakin meningkat. Emisi karbon berlebihan menyebabkan pemanasan global akibat senyawa sulfur dan karbon dioksida. Energi terbarukan menjadi solusi terhadap permasalahan tersebut. Menurut Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (DESDM), energi terbarukan adalah energi yang dapat diperbaharui dan apabila dikelola dengan baik, sumber daya itu tidak akan habis. Beberapa kelebihan energi terbarukan, antara lain: sumbernya relatif mudah didapat/diperoleh secara gratis, minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikkan harga bahan bakar [1]. Pertimbangan

konservasi

energi

dan

lingkungan

hidup

mendorong

pemanfaatan energi terbarukan yang lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan energi fosil. Pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) adalah salah satu pembangkit ramah lingkungan karena memanfaatkan energi angin yang rendah emisi karbon. Secara umum, skema PLTB terlihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Skema PLTB [2]


5

Terlihat dari Gambar 2.1, prinsipnya pembangkit ini mengubah energi angin menjadi energi mekanik. Selanjutnya, energi mekanik diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan generator. Secara umum, kerja turbin angin diperlihatkan pada

Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Skema kerja dan komponen turbin angin[3] Saat angin melewati blade yang mengakibatkan turbin angin berputar dengan kecepatan tertentu maka muncullah energi mekanik (daya poros). Karena putaran turbin angin tidak terlalu cepat (low speed) yang disebabkan besarnya ukuran turbin, maka poros turbin dihubungkan roda gigi (gearbox).


6

Roda gigi mengubah laju putar menjadi lebih cepat (high speed), konsekuensinya momen gaya menjadi lebih kecil. Selanjutnya, putaran poros turbin menggerakkan rotor generator. Rotor berputar di medan magnet menimbulkan gaya gerak listrik dari generator. Energi listrik dari pembangkit dapat langsung dikonsumsi oleh beban atau ditransmisikan ke jaringan listrik utama (grid) dan didistribusikan ke pelanggan. Ekstraksi energi angin oleh turbin ditentukan oleh koefisien Cp (maksimum 59%, 35% untuk desain bagus), efisiensi transmisi roda gigi dan bearings (Nb,bisa mencapai 95%), dan efisiensi generator (Ng, ~ 80%). Sehingga, efisiensi total PLTB dipengaruhi oleh Cp, Nb dan Ng.

2.2

Jenis PLTB Berdasarkan kecepatan rotasi, PLTB dibagi menjadi dua tipe: kecepatan tetap

(fixed speed) dan kecepatan variabel (variable speed). Pada tipe kecepatan tetap, kecepatan sudut rotor dari generator dibuat tetap sesuai dengan frekuensi dari sistem kelistrikannya. Pada kecepatan variable, kecepatan sudut rotor generator berubahubah. Karena kecepatan rotor yang dapat tidak sesuai dengan frekuensi sistem grid, maka pembangkit tenaga bayu kecepatan variabel (variable speed) dikoneksikan ke grid melalui suatu instrumen elektronika daya. Gambar 2.3 merupakan jenis-jenis variable speed wind turbine (VSWT) dengan pemasangan generator berbeda tipe. VSWT terbagi menjadi tiga kategori, antara lain: VSWT-Doubly Fed Induction Generator, VSWT-Permanent Magnet Synchronous Generator dan VSWT-Wound Field Synchronous Generator. Dalam skripsi ini, pembangkit listrik yang dipakai berjenis VSWT-DFIG.


7

(a)

VSWT-DFIG

(b) VSWT-PMSG

(c) VSWT-WFSG

Gambar 2.3 Skema VSWT dipasang DFIG,PMSG dan WFSG [2]

Pada VSWT-PMSG ataupun VSWT-WFSG, generator tidak dihubungkan langsung ke grid melainkan dikoneksikan melalui konverter frekuensi. Bila kecepatan rotor generator mencapai 30 persen dari kecepatan nominal maka daya listrik nominal konverter adalah 30 persen dari daya output. Pengaturan daya aktif dengan konverter memungkinkan untuk mengubah kecepatan rotasi generator dan rotor turbin angin. Keuntungan pembangkit kecepatan variabel didesain agar bisa mengekstrak daya maksimum pada berbagai kecepatan angin. Di sisi lain, kerugian PLTB ini perlu ekstra biaya akibat pemasangan konverter dan kompleksitas sistem kendali daya (power control), torsi (torque control), kecepatan (speed control) maupun gerak maju baling-baling (pitch control).


8

2.3 Angin (Wind) Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Akibat perbedaan suhu maka terjadi perputaran udara dari kutub utara ke garis khatulistiwa menyusuri bumi ataupun sebaliknya. Gerakan angin mengakibatkan timbulnya energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi menjadi energi listrik ataupun mekanik dengan turbin angin yang bisa disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Aliran angin bisa diilustrasikan sesuai Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Ilustrasi aliran angin [4]

Keterangan: a : amplitude

c : nilai maksimum angin

b : rise time

d : waktu saat angin turun.

Angin mempunyai profil geseran (wind shear profile) atau profil kecepatan ketika mengalir melewati benda padat, misalnya permukaan bumi. Di permukaan bumi, kecepatan relatif angin terhadap permukaan bumi sama dengan nol. Kemudian kecepatan ini menjadi semakin tinggi sebanding ketinggian dari permukaan bumi.


9

Ada dua jenis profil geseran angin yang biasa digunakan untuk menghitung energi, yaitu: profil geseran angin eksponensial (exponential wind shear profile) dan profil geseran angin kekasaran permukaan (surface roughness wind shear stress). Gambar 2.5, menunjukkan profil geseran fluida eksponensial yang dijabarkan dengan rumus berikut [1]: ‫ݒ = ݒ‬௥௘௙ ൬௛

௛

ೝ೐೑

ఈ

൰

(2.1)

Keterangan: v

: kecepatan angin pada ketinggian h (m/s)

h

: ketinggian dari permukaan tanah sampai hub turbin angin (m)

vref : kecepatan angin referensi saat pengukuran dilakukan (m/s) href : ketinggian referensi (m)

Dari persamaan 2.1, didapatkan grafik hubungan ketinggian terhadap kecepatan angin (Gambar 2.5). Untuk Vref dan href masing-masing 10 m/s dan 10 m. Profil geseran fluida eksponensial tergantung pada kekasaran permukaan. Untuk fluida secara umum α mempunyai nilai 1/7. Profil angin pada daerah yang memiliki banyak pepohonan seperti perkebunan atau hutan, nilai α dapat mencapai 0,3 sedangkan untuk laut atau daerah-daerah yang terbuka α bernilai 0,1 [1].


10

Grafik Hubungan Ketinggian Terhadap Kecepatan Angin 140 120 100

h (m)

80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Kecepatan Angin (m/s)

Gambar 2.5 Profil umum geseran angin (Sumber: Data diolah)

Ketinggian (h) didefiniskan tinggi dari permukaan tanah terhadap hub turbin angin. Dari Gambar 2.5 terlihat bahwa ketinggian mempengaruhi kuantitas kecepatan angin. Saat kecepatan angin 10 m/s maka ketinggian mencapai 10 meter. Untuk ketinggian 120 meter didapatkan kecepatan angin sebesar 14,2 m/s. Data angin bisa didekati dengan suatu fungsi kontinyu berupa distribusi Weibull untuk mendapatkan prediksi yang akurat mengenai keluaran turbin angin dan juga untuk mengetahui karakteristik pola angin.

2.3.1 Syarat dan Kondisi Tabel 2.1 akan menunjukkan nilai dan kondisi dimana kecepatan angin bisa dimanfaatkan untuk pembangkit listrik pada ketinggian 10 meter diatas permukaan tanah. Berdasarkan dari tabel, angin kelas 3 adalah batas minimum dan angin kelas 8 adalah batas maksimum energi angin yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.


11

Tabel 2.1. Standar kelas kecepatan angin Kelas Angin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Tingkat Kecepatan Angin 10 meter diatas permukaan tanah Kecepatan Kondisi Alam di daratan Angin (m/s) 0,00-0,02 0,3-1,5 Angin tenang, asap lurus ke atas 1,5-3,3 Asap bergerak mengikuti arah angin 3,4-5,4 Wajah terasa ada angin,daun-daun bergoyang pelan, petunjuk arah angin bergerak 5,5-7,9 Debu jalan,kertas berterbangan,ranting bergoyang 8,0-10,7 Ranting pohon bergoyang,bendera berkibar 10,8-13,8 Ranting pohon besar bergoyang,air plumpang berombak kecil 13,9-17,1 Ujung pohon melengkung,hembusan angin terasa di telinga 17,2-20,7 Dapat mematahkan ranting pohon 20,8-24,4 Dapat mematahkan ranting pohon,rumah rubuh 24,5-28,4 Dapat menumbangkan pohon,menimbulkan kerusakan 28,5-32,6 Menimbulkan kerusakan parah 32,7-36,9 Tornado

Hubungan kecepatan angin dan daya output dapat dilukiskan dengan grafik (lihat Gambar 2.6). Kecepatan angin bisa mengalami tiga kondisi yaitu: cut in, nominal dan cut out.

Gambar 2.6 Grafik daya output terhadap kecepatan angin [5]


12

Kecepatan Cut-In (Cut-in speed) atau kecepatan angin terendah dimana turbin angin mulai menghasilkan listrik. Kecepatan angin yang terlalu besar juga harus dibatasi agar tidak merusak turbin dan generator, kecepatan maksimum yang diperbolehkan ini disebut cut-out speed. Pada grafik di atas ditunjukkan hubungan antara laju angin dengan daya yang diperoleh melalui turbin angin. Terlihat bahwa daya listrik mulai dihasilkan pada saat kecepatan angin 4 m/s sedangkan kecepatan angin 25 m/s daya output mencapai daya maksimal yaitu 1,5 MW. Turbin yang dipakai diharapkan bekerja pada laju angin 29 mil/jam (47 km/jam = 13 m/s) sehingga menghasilkan daya yang sesuai dengan desainnya (rated power).

2.3.2 Energi Kinetik Besarnya energi kinetik pada angin dinyatakan dengan rumus empiris [2] : ‫ܧ‬௞ = ଶ ߩܸ ଶ (‫)݈݁ݑ݋ܬ‬ ଵ

(2.2)

Keterangan: ߩ : massa jenis udara (Kg/m3) Ek : energi kinetik (Joule)

V : kecepatan angin (m/s)

2.3.3 Daya Angin Daya maksimum turbin angin adalah besarnya daya total yang diserap oleh blade turbin angin. Gambar 2.7 menunjukkan kurva keadaan tekanan dan kecepatan angin yang melewati rotor turbin angin. Jika tebal blade turbin diasumsikan a-b, kecepatan dan tekanan angin akan berkurang setelah melewati blade. Artinya, kecepatan angin keluar lebih kecil dibandingkan kecepatan angin saat menuju blade.


13

Gambar 2.7 Grafik tekanan dan kecepatan angin [6]

Dari grafik tekanan terlihat tekanan saat angin belum melewati blade (Pa) nilai lebih tinggi dibandingkan tekanan saat angin melewati blade Pb atau (Pa > Pb). Untuk grafik kecepatan angin terlihat kecepatan angin saat angin belum melewati blade (Va) nilainya lebih tinggi dibandingkan kecepatan saat angin melewati blade Vb atau (Va > Vb). Hal ini disebabkan energi kinetik telah diserap oleh turbin yang dikonversikan menjadi energi mekanik. Besar daya angin Ptot adalah [6]: ܲ௧௢௧ = ݉ ଶ ௚௖ (ܹܽ‫)ݐݐ‬ ௏మ

(2.3)

Jika harga aliran massa angin dinyatakan [6]: ݉ = ߩ. ‫ܣ‬. ܸ

(2.4)

Sehingga, daya total angin dijabarkan [6]: ܲ‫= ݐ݋ݐ‬

Keterangan:

ఘ.஺.௏ య ଶ ௚௖

(ܹܽ‫)ݐݐ‬

(2.5)

m

: aliran massa angin (Kg/s)

ߩ

A

: luas penampang (m2)

V

: kecepatan angin masuk (m/s)

gc

: faktor koreksi = 1 (Kg.m/N.s2)

Ptot : daya total angin (Watt)

: massa jenis udara (Kg/m3)


14

2.4

Turbin Angin Turbin angin salah satu bagian terpenting pembangkit listrik tenaga angin.

Turbin angin adalah komponen mekanik yang mengkonversikan kecepatan angin menjadi daya poros. Turbin angin mempunyai sudu dengan bentuk irisan melintang khusus di mana aliran udara pada salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari aliran udara di sisi yang lain ketika angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada belakang sudu dan daerah tekanan tinggi di depan sudu. Perbedaan tekanan ini membentuk gaya yang menyebabkan sudu berputar. Turbin angin dibagi menjadi dua kelompok utama berdasarkan arah sumbu, yaitu: vertikal dan horizontal. Perbedaan kedua kelompok ini dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Turbin angin sumbu horizontal dan vertikal [7]


15

Turbin angin sumbu horizontal disingkat TASH memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang dihubungkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah roda gigi yang mengubah putaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar. Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi pada bagian belakang maka turbin diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan. Sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah angin) untuk meminimalkan dampak turbulensi yang dapat menyebabkan kerusakan struktur menara dan realibilitas. Turbin angin sumbu horizontal memiliki kelebihan dan kekurangan, yaitu: A. Kelebihan TASH Dasar menara yang tinggi memperbolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20 persen.

B. Kekurangan TASH 1. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin. 2. TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang tampil. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, roda gigi, dan generator. 3. TASH yang tinggi bisa mempengaruhi radar airport.


16

4. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan landscape. 5. Berbagai varian downwind mengalami kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi. 6. TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.

Turbin angin sumbu vertikal (TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. TASV mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta roda gigi bisa ditempatkan di dekat tanah. Sehingga, menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Disisi lain, sejumlah desain TASV menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) dapat ditimbulkan saat kincir berputar. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah sehingga menghasilkan energi angin yang rendah. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara turbin kira-kira 50 persen dari tinggi bangunan dan merupakan titik optimal bagi energi angin maksimal dan turbulensi angin minimal. Adapun kelebihan dan kekurangan dari TASV, yaitu: A. Kelebihan TASV 1. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. 2. Karena bilah-bilah rotornya vertikal sehingga tidak dibutuhkan mekanisme yaw.


17

3. TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi memberikan keaerodinamisan yang tinggi dan mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi. 4. Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya TASH. 5. TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH. Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.) 6. TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang. 7. TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit) 8. TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

B. Kekurangan TASV 1. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar. 2. TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi. 3. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

Turbin angin yang mempunyai jumlah sudu banyak (soliditas tinggi) akan mempunyai torsi besar, sedangkan jumlah sudu sedikit (dua atau tiga) digunakan untuk keperluan pembangkitan listrik karena mempunyai torsi rendah tetapi putaran rotor yang tinggi.


18

2.4.1 Gaya Pada Turbin Gaya-gaya angin yang bekerja pada sudu-sudu turbin angin pada dasarnya terdiri tiga komponen yaitu: gaya aksial (A), gaya sentrifugal (S) dan gaya tangensial (T). Gaya aksial mempunyai arah yang sama dengan arah angin; gaya sentrifugal adalah gaya yang meninggalkan titik tengah; dan gaya tangensial merupakan gaya yang menghasilkan momen,bekerja tegak lurus pada radius. Ketiga gaya tersebut bisa dilukiskan pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Turbin angin dengan 3 sudu [8]

Gambar 2.9 memperlihatkan turbin angin 3 sudu dengan ketiga gaya yang bekerja pada baling-baling. Gaya tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut [8]: ‫ = ܣ‬0,00142 ܸ ଶ ܴ ଶ

(2.6)

ܶ = 0,00219

(2.8)

ܵ = 367

ோ௉

௩భ ௩

ௐ ௩మ ௏ మ ோభ

(2.7)


19

Keterangan: A: gaya aksial (Kgm)

V: kecepatan angin (m/s)

S: gaya sentrifugal (Kgm)

W: berat sudu (Kg)

T : gaya tangensial (Kgm)

v1: kecepatan relatif ujung sudu terhadap V

P: daya (kW)

v2: kecepatan relatif titik berat sudu terhadapV

R: radius sudu rotor (m)

2.5

Drive Train Drive Train salah satu komponen mekanik yang digunakan sebagai

penghubung turbin angin dengan generator. Pada drive train dipasang roda gigi yang berfungsi untuk mengubah putaran rendah turbin angin menjadi putaran tinggi. Gambar 2.10 dan 2.11 masing-masing mengambarkan skematik rigid dan fleksibel drive train.

Gambar 2.10 Rigid drive train [9]

Gambar 2.11 Flexible drive train [9]


20

Untuk menjaga putaran poros generator setelah roda gigi agar bekerja pada titik aman ketika kecepatan angin maksimal maka dipasang brake system. Alat ini bekerja untuk mencegah kerusakan generator (kawat generator putus, overheat, dan lain-lain) akibat putaran yang tinggi saat kecepatan angin melebihi kecepatan nominal.

2.6

Sistem Kontrol

2.6.1 Secara Umum Sistem kontrol adalah proses pengaturan/pengendalian satu atau beberapa besaran sehingga berada pada suatu harga atau rangkuman harga tertentu. Fungsi dasar

sistem

kontrol

adalah

mencakup

“…pengukuran

(measurement),

membandingkan (comparisan), pencatatan dan perhitungan (computation), dan perbaikan (correction)”. Komponen-komponen dasar sistem kendali terdiri dari, (Gambar 2.12): input, kontroler, elemen kontrol akhir, proses, sensor/transmitter, dan output.

Gambar 2.12 Komponen sistem kendali [10]

Masukan/input

sebagai

stimulan

yang

diterapkan

ke

suatu

sistem

pengendalian dari sumber energi dan menghasilkan respon tertentu dari sistem yang dikendalikan.

Kontroler

berfungsi

untuk

mengendalikan

input

agar

tidak

mempengaruhi sistem. Proses merupakan suatu bagian operasi atau perkembangan alamiah yang berlangsung secara kontinu; yang ditandai oleh suatu perubahan kecil yang berurutan secara relatif

tetap sehingga mendapatkan suatu respon yang


21

diinginkan. Sensor adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi mengukur, atau mencatat

fenomena fisik seperti panas, radiasi, dan

dapat diketahui dengan

mentransmisikan informasi yang didapat, perubahan initial, atau operasi kontrol. Keluaran/output merupakan respon sebenarnya yang diperoleh dari sebuah sistem pengendalian. Ditinjau dari sistem operasinya sistem kontrol dibagi menjadi sistem kontrol lup tertutup (Closed-loop control system) dan sistem kontrol lup terbuka (Open-loop ontrol system). Secara umum, diagram blok sistem lup terbuka digambarkan sesuai gambar dibawah [10].

Gambar 2.13 Diagram blok sistem kontrol lup terbuka Sistem lup terbuka adalah sistem kontrol yang keluarannya tidak berpengaruh pada aksi pengontrolan. Artinya, output tidak diukur atau diumpan-balikkan untuk dibandingkan dengan masukan. Masukan/input dari sistem lup terbuka dikendalikan oleh kontroler agar memperoleh respon yang diinginkan sebagai keluaran/output. Sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Dengan kata lain, sistem kontrol lup tertutup merupakan sistem kontrol berumpan balik (fungsi sinyal keluaran), yang diumpankan ke kontroler untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan.


22

Gambar 2.14 Diagram sistem kontrol lup tertutup [10]

Perhatikan Gambar 2.14, keluaran sistem sebagai output akan diumpanbalik melalui sensor yang menghasilkan variabel (manipulated variable) dan selanjutnya dibandingkan dengan variabel dari kontroler (controlled variable). Kesalahan/error dapat terjadi pada sistem jika ada perbedaaan antara manipulated variable dan

controlled variable. Dalam mendesain pengendali, hal yang perlu diperhatikan adalah kestabilan dan respon sistem (transien dan tunak).

a. Kestabilan Kestabilan merupakan hal terpenting dalam sistem kendali linier yang menyatakan sifat stabilitas sistem. Kestabilan sistem dapat ditentukan oleh respon terhadap input atau gangguan. Sistem linier dikatakan stabil jika sistem mendapatkan

input terbatas (bounded) maka output juga terbatas (bounded) atau dikenal sebagai BIBO (bounded input, bounded output output). ). Kestabilan dapat ditentukan dari nilai dan tanda dari akar-akar persamaan karakteristik. Jika pada sistem lup tertutup memiliki diagram blok seperti Gamba Gambarr 2.15 maka didapat fungsi alih dan persamaan karakteristiknya (persamaan 2.9 dan 2.10).


23

Gambar 2.15 Sistem lup tertutup [10]

Sesuai Gambar 2.15, persamaan fungsi alih [10]: ஼ (௦)

ோ (௦)

=

ீ೎ (௦)ீೡ (௦)ீೞ (௦)

ଵା ீ೎ (௦)ீೡ (௦)ீೄ (௦)ு(௦)

(2.9)

1 + ‫ܩ‬௖ (‫ܩ)ݏ‬௩ (‫ܩ)ݏ‬௖ (‫ = )ݏ(ܪ)ݏ‬0

Persamaan karakteristik lup tertutup [10]:

(‫ ݏ‬+ ‫ݏ‬ଵ )(‫ ݏ‬+ ‫ݏ‬ଶ )(‫ ݏ‬+ ‫ݏ‬ଷ ) … . (‫ ݏ‬+ ‫ݏ‬௡ ) = 0

(2.10)

Dari persamaan 2.10 didapatkan akar-akar karakteristik [10]: (2.11)

Sehingga didapatkan akar-akar persamaan: ‫ = ݏ‬−‫ݏ‬ଵ

‫ = ݏ‬−‫ݏ‬ଶ ‫ = ݏ‬−‫ݏ‬ଷ

‫ = ݏ‬−‫ݏ‬௡

Bentuk umum akar-akar persamaan karakteristik lup tertutup untuk step input:

ߙ௜

‫ݏ‬௜ = ߙ௜ ± ݆߱௜

Keterangan :

: bilangan riil

(2.12) ߱௜

: bilangan imajiner

s1,s2,..sn : akar persamaan karakteristik s1, s2 dan sn dalam bentuk kompleks ߙ ± ݆߱. Kondisi stabil terjadi jika

bilangan riil dari akar persamaan karakteristik (bilangan kompleks) bertanda negatif dan sebaliknya tidak stabilnya sistem akibat bilangan riilnya bertanda positif.


24

b. Respon Sistem Respon sistem adalah tanggapan sistem terhadap sinyal [11]. Respon dapat diketahui dari keluaran/output sistem setelah mendapatkan sinyal input. Respon dapat dilihat berdasarkan waktu (time response) dan frekuensi (frequency response). Untuk mengetahui respon berdasarkan waktu yang dilihat adalah respon peralihan/transien (transient) dan keadaan tunak (steady state). Sedangkan, respon frekuensi bisa dilihat adalah phasa dan magnitude sistem. Respon trasien sistem tergantung dari orde yaitu orde satu dan orde dua atau lebih. Orde satu memiliki respon transien fungsi eksponensial sedangkan orde dua respon transiennya dalam bentuk sinusoida. Sistem stabil jika natural respon mendekati nol saat waktu mendekati tak hingga. Untuk sistem marginally stable jika natural respon tetap/konstan atau berosilasi teratur.

2.6.2 Sistem Orde Satu Respon sistem orde satu merupakan fungsi eksponensial dan ditunjukkan Gambar 2.16.

Gambar 2.16 Respon trasien orde satu [12]


25

Untuk respon orde satu memiliki time constant (τ), rise time (Tr) dan setting time (Ts). Time constant adalah waktu pada saat respon mencapai 63 % dari nilai akhir. Rise time atau waktu naik merupakan waktu yang dibutuhkan agar respon naik dari 10% ke 90% dari nilai akhirnya. Setting time adalah waktu yang dibutuhkan agar kurva respon mencapai batas nilai akhir (2 % atau 5%). Besarnya τ, Tr, dan Ts dapat dirumuskan menjadi [12]: ߬=௔ ଵ

ܶ௥ =

(2.13)

ଶ,ଶ ௔

ܶ௦ = ௔

(2.14)

ସ

(2.15)

Fungsi alih sistem orde satu adalah [12]: ‫( = )ݏ(ܩ‬௦ା௔) = (ఛ௦ାଵ) ଵ

௔

(2.16)

2.6.3 Sistem Orde Dua Respon Sistem orde dua akan mengalami empat kondisi, yaitu: overdamped

( ߞ > 1),underdamped (ߞ <1), critically damped (ߞ = 1), dan undamped (ߞ = 0). Perhatikan Gambar 2.17, respon sistem orde dua.

Gambar 2.17 Respon trasien orde dua [12]


26

Fungsi alih sistem orde dua yaitu [12]: ‫= )ݏ(ܩ‬

ଵ

ೞ ೞ మ ቀ ቁ ାଶ఍ቀ ቁାଵ ഘ೙ ഘ೙

(2.17)

Pada saat respon mengalami underdamped selain memiliki rise time dan setting time maka memiliki paramater delay time (Td), peak time (Tp), dan overshoot (Mp). Delay time atau waktu tunda adalah waktu yang diperlukan agar tanggapan mencapai 50% nilai akhir pertama kali. Peak time merupakan waktu yang dibutuhkan agar respon mencapai puncak simpangan pertama kali. Overshoot (%OS) merupakan perbandingan nilai puncak tertinggi dari kurva terhadap nilai akhir tanggapan. Rumus parameter sistem orde dua yaitu [12]: ܶ௥ = ఠ

ଵ,଼ ೙

ܶ௦ = ఍ఠ ܶ௣ =

ସ

೙

(2.18) (2.19)

గ

ఠ೙ ିඥଵି఍ మ

%ܱܵ = ݁

(2.20)

షഅഏ

ටభషഅమ

(2.21)

Keterangan : ωn : natural frequency 2.6.4

ζ : damping ratio

Pengendali Analog PI Pengendali proposional plus integral (PI) salah satu mode pengendalian yang

banyak digunakan oleh industri. Kombinasi PI memberikan respon yang optimal. Pengendali proposional (pengendali P) mampu merespon dengan cepat dan mengkompensasi keterlambatan pengendali integral terhadap respon. Fungsi pengendali integral (pengendali I) untuk menghilangkan kesalahan inheren/offset dari pengendali proposional.


27

2.6.4.1 Proposional-Integral Pengendali proposional plus integral didesain untuk model linear. Secara matematis, pengendali PI dapat dinyatakan dengan: ‫ܭ( = )ݐ(ݑ‬௉ ݁(‫ )ݐ‬+ ் ‫׬‬଴ ݁(‫) ݐ݀)ݐ‬

(2.22)

ܷ(‫ܭ = )ݏ‬௉ ‫ )ݏ(ܧ‬+

(2.24)

ଵ

೔

௧

ܷ(‫ܭ( = )ݏ‬௉ ‫ )ݏ(ܧ‬+ ் ௦ ‫)ݏ(ܧ‬ ௄೔ ௦

ଵ ೔

‫))ݏ(ܧ‬

(2.23)

Nilai Kp dan Ti dapat ditentukan sesuai kebutuhan. Waktu integral berfungsi untuk mengatur aksi kendali integral dan memperbesar nilai Kp dapat memperkecil steady state error. Aplikasi pengendali PI cocok untuk sistem dengan perubahan beban besar yang tidak terlalu cepat (perlu waktu integrasi).

2.6.4.2 Proporsional Pengendali proposional memiliki nilai Kp sebagai gain (penguat). Nilai gain tidak memberikan efek dinamik terhadap kinerja kontroler. Penggunaan pengendali P memiliki keterbatasan dalam hal sifatnya yang tidak dinamik. Untuk aplikasi sederhana, pengendali P cukup mampu untuk memperbaiki respon transien khususnya rise time dan settling time. Persamaan matematik pengendali proposional sebagai berikut:

‫ܭ = )ݐ(ݑ‬௣ ݁(‫)ݐ‬

(2.25)

Persamaan laplace adalah ௎(௦) ா(௦)

= ‫ܭ‬௣

(2.26)

Dimana KP : konstanta proporsional


28

2.6.4.3 Integral Pengendali integral memiliki pengaruh terhadap sistem untuk menghilangkan steady state error. Disisi lain, pengendali I akan memberikan respon lebih lambat dibandingkan dengan pengendali P dan menimbulkan ketidakstabilan (karena menambah orde sistem). Pengendali integral bisa dinyatakan dengan : ‫ܭ = )ݐ(ݑ‬௜ ‫׬‬଴ ݁(‫ݐ݀)ݐ‬ ௧

(2.27)

Persamaan laplace-nya: ௎(௦) ா(௦)

=

௄೔ ௦

(2.28)

Dari persamaan 2.27, jika e(t) mendekati konstan (bukan nol) maka u(t) akan menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat memperbaiki kesalahan/error. Jika e(t) mendekati nol maka efek pengendali integral semakin kecil. Pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon transien yang tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat tinggi dapat menyebabkan output berosilasi karena menambah orde sistem. Perubahan sinyal sebanding dengan perubahan error. Artinya, semakin besar error maka semakin cepat sinyal kontrol bertambah/berubah. Berdasarkan uraian diatas dapat dirangkum respon pengendali proposional dan integral pada sistem lup tertutup terhadap masukan pada Tabel 2.2. Tabel 2.2 Tanggapan sistem control PI terhadap Perubahan Parameter Respon Lup

Waktu

Overshoot

Waktu turun

Steady

Tertutup

naik

Proposional (Kp)

Menurun

Meningkat

Perubahan Kecil

Menurun

Integral (Ki)

Menurun

Meningkat

Meningkat

Hilang

State

(Sumber : Muhammad Ali, 2004)


29

Pemasangan pengendali P,I,D atau kombinasi ketiganya menghasilkan respon pada parameter yang ingin dikendalikan (controlled variable) berbeda-beda. Dari grafik (Gambar 2.18), pengendali integral ataupun derivatif tidak bisa dipasang tanpa pengendali proposional.

Gambar 2.18 Grafik Perbandingan Tanggapan PID [13]

Penggunaan PD menghasilkan controlled variable dengan nilai offset tertentu tapi tidak fluktuatif (konstan). Jika sistem dipasang pengendali PID

maka

menghasilkan parameter tanpa offset, respon cepat dan stabil.

2.6.5

Pengendalian PLTB Pembangkit listrik tenaga bayu kecepatan variabel perlu dipasang pengendali

untuk menjaga kestabilan daya listrik terhadap kecepatan angin. Sistem kendali di pembangkit tenaga bayu dapat dilakukan dengan cara, yaitu: pengendalian kecepatan rotasi turbin angin (speed control), pengendalian torsi (torque control) dan pengendalian sudut β pada rotor turbin angin (pitch control) dan pengendalian daya aktif dan reaktif pada generator (power control).


30

Pengendalian kecepatan bertujuan untuk mengendalikan kecepatan rotasi turbin saat kecepatan angin berfluktuasi. Pengendalian torsi bertujuan untuk menjaga agar torsi yang dihasilkan turbin angin lebih stabil. Pengendalian sudut pitch digunakan untuk mengontrol sudut β pada baling-baling sehingga saat beban lebih sudt baling-baling dapat diatur. Pengendalian daya berfungsi untuk menstabilkan daya listrik yang dihasilkan generator induksi akibat kecepatan angin yang berubahubah.

Gambar 2.19 Model sistem kontrol PLTB menggunakan DFIG [14]

Gambar 2.19 menunjukkan skematik sistem kendali Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB). Dari gambar terlihat bahwa setpoint daya referensi (Pref ) pada kendali daya (power control) didapatkan dari lookup table sebagai fungsi kecepatan rotor terukur ωmeas. Untuk kondisi steady state, kecepatan rotor dibatasi ωmax oleh


31

speed control

terhadap perubahan sudut θpitch. Perubahan kecil sudut pitch bisa

menimbulkan efek terhadap daya output. Pada kecepatan tinggi, pengendali pitch akan bekerja untuk pengaturan daya aerodinamis dan beban yang dihasilkan rotor.

2.6.5.1 Speed Control Speed control dilakukan untuk mengendalikan kecepatan rotasi turbin terhadap perubahan sudut gerak maju baling-baling turbin (pitch angle). Gambar 2.20 menunjukkan diagram kendali kecepatan dengan menggunakan pengendali PI

Gambar 2.20 Sistem kontrol kecepatan [9]

Dari gambar terlihat bahwa input menuju pengendali PI yaitu kecepatan rotasi turbin (Ωref) dengan tujuan menjaga nilai torsi yang digunakan untuk menggerakan poros generator (ΓG). 2.6.5.2 Pitch Control Pengendali sudut β (pitch control) dapat dimodelkan sebagai sistem dinamik berorde satu. Persamaan diferensialnya adalah [15]: ଵ ଵ ߚሶ = − ఛ ߚ + ఛ ߚௗ

(2.29)

Nilai β dan βd adalah sudut aktual dan sudut yang diinginkan. Range sudut β berkisar -2° sampai 30° dengan variasi maksimum rate ±10°/s. Diagram blok pengendali sudut β ditunjukkan Gambar 2.21.


32

Gambar 2.21 Model pengendali pitch [15]

2.6.5.3 Power Control Power control bertujuan untuk menstabilkan daya reaktif maupun daya aktif di rotor generator dan grid pada PLTB. Sistem kendali lup tertutup power control ditunjukkan pada Gambar 2.22 .

Gambar 2.22 Bagan power control [9]

Dari bagan terlihat bahwa sistem turbin angin menggunakan pengendali PI untuk power control. Perubahan angin akan mempengaruhi putaran turbin akibatnya torsi elektromagnetik generator menghasilkan daya aktif yang fluktuatif. Untuk itu, dibuat Pref sebagai daya referensi dalam lookup table berdasarkan kecepatan rotasi turbin pada saat kecepatan angin berubah-ubah.


33

Dengan pengendali PI pada regulator daya (power regulator) berupaya memperkecil error (perbedaan daya referensi dengan daya aktual). Selain itu, daya aktif dan reaktif dikendalikan dengan P&Q control yang didalamnya ada pengendali PI untuk menjaga kestabilan daya aktif (P) dan daya reaktif (Q).

2.7

Maximum Power Point Tracking (MPPT) Algoritma Maximum Power Point Tracking (MPPT) digunakan untuk

memaksimalkan daya output dari sistem turbin angin. Gambar 2.23 menunjukkan karakteristik daya output dan torsi terhadap kecepatan rotasi turbin (ωturbin).

Gambar 2.23 Karakteristik daya output dan torsi turbin angin dengan MPPT [16]

Tujuan utama pengendalian MPPT agar sistem bisa bekerja pada daya maksimal (Pm_max) ketika kecepatan angin berubah-ubah. Berdasarkan gambar diatas, titik operasi bisa bekerja pada slope positif (terletak pada sisi kiri dari Pm_max ), slope nol (terjadi ketika titik operasi berada pada Pm_max) dan slope negatif (terletak pada sisi kanan dari Pm_max).


34

Jika titik operasi terletak daerah slope positif, kontroler harus memindahkan titik operasi ke slope negatif agar mendapatkan terletak pada sisi kiri dari Pm_max. Beberapa cara untuk mendapatkan MPPT di sistem turbin yaitu menggunakan Lookup table berdasarkan parameter Cp [17]. Daya mekanik dari turbin angin maksimal terjadi pada saat turbin berada pada titik Cp maksimum. Terlihat dari grafik hubungan antara daya mekanik dan daya listrik generator terhadap kecepatan rotasi turbin (Gambar 2.24).

Gambar 2.24 Grafik Daya mekanik turbin dan daya generator terhadap kecepatan rotasi turbin pada saat maksimum [17]

Dari gambar 2.24, daya mekanik turbin ditandai dengan garis warna biru sedangkan daya listrik dari generator ditandai oleh garis warna merah pada kecepatan angin 4-12 m/s. Untuk garis Pmmax didapatkan dari titik saat daya turbin maksimal tiap kecepatan angin. Pcamax diperoleh saat daya generator maksimal dengan kecepatan angin 4-12 m/s. Grafik menunjukkan bahwa Pm dan Pca mencapai maksimum saat kecepatan angin 12 m/s [17].


35

2.8

Generator Induksi Doubly Fed (DFIG) Generator induksi bekerja dengan prinsip elektromagnetik, kumparan stator

diberi tegangan listrik arus bolak balik maka kumparan stator akan mengalirkan arus listrik. Arus listrik tersebut menimbulkan medan magnet keluar dari kumparan stator. Perubahan resultan medan magnet menyebabkan medan magnet seolah-olah berputar. Besarnya kecepatan medan putar (kecepatan sinkron) sebesar [18]: ݊௦ =

ଵଶ଴ ௙೐ ௣

(2.30)

݊௦ ∶ kecepatan sinkron /kecepatan medan putar stator (rpm) Dimana:

fe : frekuensi tegangan AC yang diberikan pada stator (Hz)

p : jumlah kutub stator Medan magnet yang berputar akan menimbulkan fluks. Akibat perubahan fluks pada kumparan rotor akan timbul gaya gerak listrik (GGL) induksi pada rangkaian rotor . Tegangan induksi pada kumparan rotor menyebabkan gaya Lorentz akibat interaksi arus di rotor dengan medan magnet putar dari kumparan stator. Sehingga, timbul torsi akibat gaya Lorentz yang digunakan untuk memutar rotor pada suatu kecepatan tertentu. Generator induksi doubly fed atau DFIG salah satu komponen pada sistem pembangkit listrik tenaga bayu/angin untuk kecepatan variabel (variable speed). Belitan stator DFIG akan dihubungkan langsung ke grid dan rotor dikoneksikan ke konverter melalui slip rings.


36

Gambar 2.25. Doubly-fed induction generator

Generator induksi doubly fed lebih fleksibel, beroperasi pada dua kondisi yaitu

subsinkron

(sub-synchrounous)

dan

oversinkron

(over-synchrounous).

Subsinkron terjadi torsi negatif atau slip positif sedangkan oversinkron terjadi slip negatif. Dalam kondisi ideal, hubungan daya output stator, rotor dan grid dinyatakan [9]:

ܲ௦௧௔௧௢௥ =

௉೒ೝ೔೏ ଵି௦

(2.31)

ܲ௥௢௧௢௥ = −‫ݏ‬. ܲ௦௧௔௧௢௥

(2.32)

Keterangan: Pstator : Daya listrik stator (Watt)

Pgrid : Daya listrik di grid (Watt)

Protor : Daya listrik rotor (Watt)

s

: slip

Jika DFIG beroperasi secara subsinkron maka daya rotor menyerap daya listrik grid (positif). Sebaliknya, oversinkron menyebabkan grid disuplai daya oleh rotor. Kedua kondisi, daya dari stator generator akan mengalir ke grid.


37

Gambar 2.26 Skematik DFIG [19]

Diagram skematik DFIG back-to-back converter ditunjukkan pada Gambar 2.26. Sistem tersebut dipasang dua konverter secara back-to-back, yaitu machine-side converter dan grid-side converter. Untuk menyimpan energi listrik maka dipasang kapasitor diantara dua konventer tersebut. Selain itu, kapasitor berfungsi untuk menjaga variasi besarnya tegangan atau ripple voltage pada dc-link. Machine-side converter berfungsi untuk mengontrol torsi ataupun kecepatan DFIG. Dan juga, menjaga faktor daya di terminal stator. Sedangkan, grid-side converter berfungsi agar tegangan dc (dc-link) konstan.


38

BAB III MODEL MATEMATIK PLTB

Pada bab 3 akan memuat model matematik dari masing-masing komponen sistem pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB). Hal ini agar mempermudah pembuatan simulasi. Komponen tersebut adalah angin, turbin angin, generator induksi doubly fed, dan P&Q control.

3.1

Angin Untuk simulasi, pemodelan angin terdiri dari angin dengan kecepatan rata-rata

dan angin yang fluktuatif (turbulence wind). Pada aplikasinya simulasi, angin dimodelkan dengan menggunakan distribusi normal white generator pada Matlab dan spekrum Kaimal. Secara skolastik spekrum Kaimal dirumuskan dengan [9]: Φ(߱) =

௄ೇ ఱ (ଵାఠ்ೇ ) ൗయ

(3.1)

Keterangan: KV : konstanta daya turbulen (turbulence power) TV : konstanta frekuensi turbulensi Gambar 3.1 menunjukkan respon angin pada kecepatan rata-rata 10 m/s, waktu 3600 detik, waktu sampling 0,05 detik dan intensitas turbulen 12 persen [20].

Gambar 3.1. Angin dengan turbulensi 12 persen


39

3.2

Turbin Angin Daya turbin angin dapat dinyatakan pada kondisi ideal dan secara riil.

Persamaan matematik turbin angin ideal turbin didasarkan pada hukum Bernoulli. Untuk aplikasinya, daya turbin dinyatakan dengan persamaan. Untuk menjelaskan daya turbin angin secara ideal dan riil dimuat pada subbab 3.2.1 dan 3.2.2. 3.2.1 Daya Turbin Angin Ideal Sesuai Gambar 3.2 yang mengilustrasikan kecepatan angin yang mengalir di turbin.

Gambar 3.2. Ilustrasi aliran angin pada turbin [2]

Dari Gambar 3.2 dapat diambil persamaan [2]: ܸଶ = ܸଷ = ଷ ܸଵ

(3.2)

‫ܣ‬ଶ = ‫ܣ‬ଷ = ‫ܣ‬ଵ ଶ

(3.4)

ܸସ = ଷ ܸଵ ଵ

‫ܣ‬ସ = 3‫ܣ‬ଵ

ଶ

(3.3)

ଷ

(3.5)

Daya mekanik turbin angin [2]: ܲ௠,௜ௗ௘௔௟ = ܲଵ − ܲସ = ଶ ߩ൫‫ܣ‬ଵ ܸଵ ଷ − ‫ܣ‬ସ ܸସ ଷ ൯ = ଶ ߩ(ଽ ‫ܣ‬ଵ ܸଵ ଷ ) ଵ

ଵ

଼

(3.6)


40

Idealnya, daya output turbin angin dipengaruhi oleh V1 dan A2. Sehingga persamaan menjadi [2]: ܲ௠,௜ௗ௘௔௟ = ଶ ߩ(ଽ (ଷ ‫ܣ‬ଶ )ܸଵ ଷ ) = ଼ ଶ

ଵ

ଵ ଶ

ߩ(ଶ଻ ‫ܣ‬ଶ ܸଵ ଷ ) ଵ଺

(3.7)

Dimana nilai 16/27 =0,593 disebut Betz coefficient.

Keterangan: V1 : kecepatan angin pada titik 1 (m/s)

A1 : luas penampang pada titik 1 (m2)

V2 : kecepatan angin pada titik 2 (m/s)






3.2.2 Daya Turbin Angin Secara Riil Untuk impementasinya, daya output turbin angin atau Pm dinyatakan dengan persamaan berikut [19]. ܲ௠ = ‫ܥ‬௣ (ଶ ߩ‫ ܸܣ‬ଷ ) ଵ

ܶ௥ =

(3.8)

భ మ

஼೛ ( ఘ஺௏ య ) ఠೃ

(3.9)

Secara umum, nilai CP sebagai fungsi tip speed ratio (λ) dan sudut pitch blade (β). Nilai CP dan tip speed ratio (λ) dapat dinyatakan dengan [19]: ‫ܥ‬௣ (ߣ, ߚ) = ‫ܥ‬ଵ ቀ ଵ

ఒ೔

= ఒା଴,଴଼ఉ −

ߣ =

ଵ

ఠೃ ோ ௏

஼మ ఒ೔

− ‫ܥ‬ଷ ߚ − ‫ܥ‬ସ ቁ ݁

଴,଴ଷହ

ఉ య ାଵ

ష಴ఱ ഊ೔

+ ‫ߣ ଺ܥ‬

(3.10) (3.11) (3.12)


41

Sehingga daya turbin dan torsi adalah [8]: ܲ௠ = ቀଶ ߩߨܴ ଶ ܸ ଷ ቁ (‫ܥ‬ଵ ቀ ఒమ − ‫ܥ‬ଷ ߚ − ‫ܥ‬ସ ቁ ݁ ஼

ଵ

ܶ௥ =

ష಴

೔

ఱ ഘ ೃ భ ಴ (஼భ ൬ మ ି஼య ఉି஼ర ൰௘ ഊ೔ ା஼ల ೃ ) ( ఘ஺௏ య ) ഊ೔

ఠೃ

ೇ

ష಴ఱ ഊ೔

+ ‫଺ܥ‬

ఠೃ ோ ௏

)

మ

(3.13)

(3.14)

Besarnya koefisien C1 sampai C6 [19]: C1= 0,5176; C2= 116; C3= 0,4; C4= 5;

C5= 21 dan C6= 0,0068

Keterangan: kerapatan udara (kg/m3)

CP : power coefficient

ρ

V : kecepatan angin (m/s)

A :

Tr : torsi turbin angin (Nm)

Pm : daya turbin angin (Watt)

ωR : kecepatan rotasi turbin angin (rad/s)

R :

3.3

:

luas penampang turbin (m2)

radius rotor turbin (m)

Drive Train Berdasarkan Gambar 3.3, torsi turbin yang dihasilkan dari kecepatan angin

akan menimbulkan momen inersia turbin. Roda gigi menyebabkan munculnya gaya pada rotor generator. Model matematik dinyatakan pada persamaan 3.15 sampai 3.17. Berikut model drive train single mass.

Gambar 3.3 Drive Train dan struktur [15]


42

Simulasi menggunakan model single mass. Berdasarkan Gambar 3.3 model matematika drive train adalah [20]: ܶ௚ − ܶ௥ ᇱ = ‫ܬ‬௘௠

‫ܬ‬௘௠ = ‫ܬ‬௚ + ௞ మ ೝ ௃

ௗஐౝ

೒೐ೌೝ

ௗ௧

(3.15) (3.16)

Torsi turbin angin setelah drive train saat rotasi dinyatakan [20]: ܶ௥ ᇱ = ௞ మ ೝ ்

೒೐ೌೝ

(3.17)

Transmisi dari turbin angin ke drive train, untuk Tem dinyatakan dengan [21]: ܶ௘௠ =

்ೝ ᇲ

௄೒೐ೌೝ

(3.18)

Dengan ωem sebagai berikut [21]: ߱௘௠ = ‫ܭ‬௚௘௔௥ ߱ோ

(3.19)

Keterangan: Tg : torsi generator (Nm)

Tr : torsi rotor turbin angin (Nm)

Jr : momen inersia turbin angin (Kgm2)

Jg : momen inersia generator (Kgm2)

Tr ‘ : torsi rotor saat drive train rotasi (Nm) Tem : torsi pada poros generator (Nm) Ωg : kecepatan rotasi generator

ωem: kecepatan rotasi turbin angin (rad/s) 2

Jem : momen inersia poros generator(Kgm ) Kgear : rasio roda gigi


43

3.4

Generator Induksi Doubly Fed

3.4.1 Rangkaian Ekuivalen Rangkaian ekuivalen dari DFIG satu fasa ditunjukkan Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Rangkaian ekuivalen DFIG [18]

Rangkaian ekuivalen diatas merepresentasikan DFIG yang memiliki rugi-rugi magnet dirangkai secara Y (wye). Jika tegangan rotor disimbolkan Vr dan rangkaian ekuivalen DFIG terhubung singkat maka berlaku hukum Tegangan Kirchoff. Menjadi persamaan berikut [18]: ܸ௦ = ܴ௦ ‫ܫ‬௦ + ݆߱ଵ ‫ܮ‬௦ఒ ‫ܫ‬௦ + ݆߱ଵ ‫ܮ‬௠ (‫ܫ‬௦ + ‫ܫ‬௥ + ‫ܫ‬ோ௠ )

(3.20)

0 = ܴ௠ ‫ܫ‬ோ௠ + ݆߱ଵ ‫ܮ‬௠ (‫ܫ‬௦ + ‫ܫ‬௥ + ‫ܫ‬ோ௠ )

(3.22)

௏ೝ ௦

=

‫ܫ‬ ௦ ௥

௏ೝ

+ ݆߱ଵ ‫ܮ‬௥ఒ ‫ܫ‬௥ + ݆߱ଵ ‫ܮ‬௠ (‫ܫ‬௦ + ‫ܫ‬௥ + ‫ܫ‬ோ௠ )

(3.21)

Persamaan slip [18]: ‫=ݏ‬

ఠభ ିఠೝ ఠభ

=

ఠమ ఠభ

(3.23)

Dimana:

߱௥ : kecepatan rotasi rotor (rad/s)

߱ଵ : frekuensi rotasi stator (rad/s)


44 Untuk fluksi air-gap (߰௠ ), fluksi stator (߰௦ ) dan fluksi rotor (߰௥ ) didefinisikan sebagai [18]:

߰௠ = ‫ܮ‬௠ (‫ܫ‬௦ + ‫ܫ‬௥ + ‫ܫ‬ோ௠ )

(3.24)

߰௥ = ‫ܮ‬௥ఒ ‫ܫ‬௥ + ‫ܮ‬௠ (‫ܫ‬௦ + ‫ܫ‬௥ + ‫ܫ‬ோ௠ ) = ‫ܮ‬௥ఒ ‫ܫ‬௥ + ߰௠

(3.26)

߰௦ = ‫ܮ‬௦ఒ ‫ܫ‬௦ + ‫ܮ‬௠ (‫ܫ‬௦ + ‫ܫ‬௥ + ‫ܫ‬ோ௠ ) = ‫ܮ‬௦ఒ ‫ܫ‬௦ + ߰௠

(3.25)

Jika disederhanakan, persamaan tegangan stator DFIG adalah [18]: ܸ௦ = ܴ௦ ‫ܫ‬௦ + ݆߱ଵ ߰௦ ௏ೝ ௦

=

‫ܫ‬ ௦ ௥

௏ೝ

(3.27)

+ ݆߱ଵ ߰௥

(3.28)

0 = ܴ௠ ‫ܫ‬ோ௠ + ݆߱ଵ ߰௥

ܸ௦

Keterangan: ܸ௥ ‫ܫ‬௦

‫ܫ‬௥

: tegangan stator : tegangan rotor : arus stator : arus rotor

‫ܫ‬ோ௠ : arus resistansi magnetising ߱ଵ : kecepatan rotasi stator

߱௥ : kecepatan rotasi rotor ߰௦ : fluksi stator

߰௠ : fluksi air gap

(3.29)

ܴ௦ : resistansi stator ܴ௥ : resistansi rotor

ܴ௠ : resistansi magnetizing

‫ܮ‬௦ఒ : induktansi leakage stator ‫ܮ‬௥ఒ : induktansi leakage rotor ‫ܮ‬௠ : induktansi magnetising ‫ ݏ‬: slip

߰௥ : fluksi rotor

3.4.2 Persamaan DFIG Dengan Komponen d-axis dan q-axis Untuk pemodelan generator induksi doubly fed, persamaan tegangan stator untuk masing-masing komponen q dan d adalah [22]: ܸ௤௦ = ‫߰݌‬௤௦ + ߱߰ௗ௦ + ‫ݎ‬௦ ݅௤௦

ܸௗ௦ = ‫߰݌‬ௗ௦ − ߱߰௤௦ + ‫ݎ‬௦ ݅ௗ௦

(3.30) (3.31)


45

Dan tegangan rotor komponen q dan d jabarkan [22]: ܸ௤௥ = ‫߰݌‬௤௥ + (߱ − ߱௥ )߰ௗ௥ + ‫ݎ‬௥ ݅௤௥

(3.32)

ܸௗ௥ = ‫߰݌‬ௗ௥ − (߱ − ߱௥ )߰௤௥ + ‫ݎ‬௥ ݅ௗ௥

(3.33)

Sehingga, daya aktif dan reaktif dinyatakan dengan persamaan [22]: ܲ௦ = ଶ (ܸௗ௦ ݅ௗ௦ + ܸ௤௦ ݅௤௦ ) ଷ

(3.34)

ܳ௦ = ଶ (ܸ௤௦ ݅ௗ௦ − ܸௗ௦ ݅௤௦ ) ଷ

(3.35)

Torsi yang pada DFIG dinyatakan dengan [20]: ܶ௘ = ଶ ‫݅(݉ܮ ݌‬௦௤ . ݅௥ௗ − ݅௦௤ . ݅௥௤ ) ଷ

(3.36)

Fluks stator untuk komponen q dan d adalah [22]: ߰௤௦ = (‫ܮ‬௟௦ + ‫ܮ‬௠ )݅௤௦ + ‫ܮ‬௠ ݅௤௥

(3.37)

߰ௗ௦ = (‫ܮ‬௟௦ + ‫ܮ‬௠ )݅ௗ௦ + ‫ܮ‬௠ ݅ௗ௥

(3.38)

Fluks rotor dinyatakan dengan persamaan [22]: ߰௤௥ = (‫ܮ‬௟௦ + ‫ܮ‬௠ )݅௤௥ + ‫ܮ‬௠ ݅௤௥

(3.39)

߰ௗ௥ = (‫ܮ‬௟௦ + ‫ܮ‬௠ )݅ௗ௥ + ‫ܮ‬௠ ݅ௗ௦

Keterangan:

߰௤௥ : fluksi rotor sumbu q

߰௤௦ : fluksi stator sumbu q ܸ௤௦

ܸ௤௥ ܲ௦

: tegangan stator sumbu q : tegangan rotor sumbu q

: daya aktif stator

(3.40)

߰ௗ௥ : fluksi rotor sumbu d

߰ௗ௦ : fluksi stator sumbu d ܸௗ௦

ܸௗ௥ ܳ௦

: tegangan stator sumbu d : tegangan stator sumbu d

: daya reaktif stator


46 ݅௤௦

: arus stator sumbu d

: arus rotor sumbu q

݅ௗ௦

݅௤௥

: arus stator sumbu q

: Torsi generator

݅ௗ௥ P

: Jumlah kutub

‫݈ܮ‬௥

: induktansi leakage stator

ω

: kecepatan rotasi elektrik

ܶ௘

‫݈ܮ‬௦

‫ݎ‬௥

‫ݎ‬௦

: induktansi leakage rotor : resistansi rotor

: arus stator sumbu d

: resistansi stator

3.4.3 Persamaan Variabel Persamaan model generator ini dinyatakan berdasarkan fluksi dari stator dan rotor. Berikut persamaannya [20]: ߰ = [߰ௌௗ ߰ௌ௤ ߰ோௗ ߰ோ௤ ]்

(3.41)

Persamaan vektor input sebagai berikut [9]:

‫ݔ[ = ݔ‬ଵ (‫ݔ )ݐ‬ଶ (‫ݔ )ݐ‬ଷ (‫ݔ )ݐ‬ସ (‫݅[ = ்] )ݐ‬ௗ௦ ݅௤௦ ݅ௗ௥ ݅௤௥ ]் ‫ܸ[ = ݑ‬ௗ௦ ܸ௤௦ ܸௗ௥ ܸ௤௥ ]்

(3.42) (3.43)

Torsi elektromagnetik pada generator induksi doubly fed dinyatakan dengan [20]: Γୋ = ଶ ‫ܮ݌‬௠ (݅௤௦ ݅ௗ௥ − ݅௤௥ ݅ௗ௦ ) ଷ

(3.44)

Persamaan diferensial sebagai berikut [9]: ୢ୧ౚ౩ ୢ୲

ୢ୧౧౩ ୢ୲

ୢ୧ౚ౨ ୢ୲

ୢ୧౧౨ ୢ୲

=

௏೏ೞ

=

௏೏ೝ

= =

௅ೄ

௏೜ೞ ௅ೄ

௅ೝ

௏೜ೝ ௅ೝ

− ௅ ೄ + ݅ௗ௦ − ோ

ೄ

௅೘ ୢ୧ౚ౨ ௅ೞ ୢ୲

− ௅ ೄ + ݅௤௦ −

௅೘ ୢ୧౧౨

−

௅೘ ୢ୧౧౩

−

ோ

ೄ

ோೃ ௅ೝ

ோೃ ௅ೝ

+ ݅ௗ௥ −

+ ݅௤௥ −

௅ೞ ୢ୲

− ωୗ (iୢୱ +

௅೘ ୢ୧ౚ౩ ௅ೝ ୢ୲

௅ೝ ୢ୲

+ ωୗ (i୯ୱ +

i ) ୐౏ ୯୰

୐ౣ

i ) ୐౏ ୢ୰

୐ౣ

+ (ωୗ − ω)(i୯୰ +

− (ωୗ − ω)(iୢ୰ +

i ) ௅ೝ ୯ୱ

୐ౣ

i ) ௅ೝ ୢୱ

୐ౣ

(3.45)


47

Dimana : variabel

= pΩh (rad/s)

ωୗ =

Jika ܸௗ௥ = ܸ௤௥ = 0

ୢ஘౩ ୢ୲

(rad/s)

Φௗ௥ = ‫ܮ‬௥ ݅ௗ௥ dan Φ௤௥ = ‫ܮ‬௥ ݅௤௥

Maka,

Persamaan ruang keadaan DFIG [9]: ‫ݔ‬ሶ = ‫(ܣ‬Ω୦ )‫ ݔ‬+ ‫ݑ ܤ‬

(3.46)

‫ ≡ ݕ‬Γୋ = ଶ ‫ܮ݌‬௠ (‫ݔ‬ଶ ‫ݔ‬ଷ − ‫ݔ‬ଵ ‫ݔ‬ସ ) ଷ

(3.47)

೘ Dimana: σ = 1 − (௅௦௅௥)

௅ మ

Matriks A dan B didapatkan sesuai persamaan 3.44 [9]: ܴௌ ‫ۍ‬ − σLୱ ‫ێ‬ ‫݌‬Ω୦ ‫ܮ‬௠ ଶ ‫ێ‬ ‫ێ‬− ቆωୗ + σLୱ L୰ ቇ ‫(ܣ‬Ω୦ ) = ‫ێ‬ ‫ܮ‬௠ ܴ௦ ‫ێ‬ σLୱ L୰ ‫ێ‬ ‫݌‬Ω ୦ ‫ܮ‬௠ ‫ێ‬ σL୰ ‫ۏ‬ ଵ

‫ ۍ‬஢୐౩ ‫ێ‬ ‫ି ێ = ܤ‬௅0೘ ‫ێ‬஢୐౩ ୐౨ ‫ ۏ‬0

0

ି௅೘

ି௅೘

஢୐౨

ଵ

஢୐౩

0

஢୐౩ ୐౨

஢୐౩

0 ଵ

0

0

‫ܮ‬௠ ܴ௥ ‫݌‬Ω୦ ‫ܮ‬௠ ଶ ωୗ + σLୱ L୰ σLୱ L୰ ܴௌ ‫݌‬Ω୦ ‫ܮ‬௠ − − σLୱ σLୱ ܴ௥ ‫݌‬Ω୦ ‫ܮ‬௠ − σL୰ σLୱ ‫݌‬Ω୦ ‫ܮ‬௠ ܴ௦ − ωୗ σ σLୱ L୰

ି௅೘

‫݌‬Ω୦ ‫ܮ‬௠ ‫ې‬ σLୱ ‫ۑ‬ ‫ܮ‬௠ ܴ௥ ‫ۑ‬ σLୱ L୰ ‫ۑ‬ ‫݌‬Ω୦ ‫ۑ‬ ωୗ − ‫ۑ‬ σ ‫ۑ‬ ܴ௥ ‫ۑ‬ − σL୰ ‫ے‬

‫ې‬

஢୐౩ ୐౨ ‫ۑ‬

0 ‫ۑ‬ ଵ ‫ۑ‬ ஢୐౨ ‫ے‬

(3.48)

Keterangan: : kecepatan elektrik

Ωh : kecepatan rotasi generator


48

3.5

Sistem Kendali Untuk memodelkan sistem kendali, hal ini berkaitan dengan fluksi pada stator.

Matriks hubungan fluks dan arus pada sumbu bidang x dan y yaitu[20]: ߰௦௫ ‫ܮ‬௦௦ ‫ې ߰ۍ‬ ௦௬ ‫ێ‬ ‫=ۑ‬൦ 0 ‫ܮ‬௠ ߰ ௥௫ ‫ێ‬ ‫ۑ‬ 0 ߰ ‫ ۏ‬௥௬ ‫ے‬

0 ‫ܮ‬௦௦ 0 ‫ܮ‬௠

‫ܮ‬௠ 0 ‫ܮ‬௥௥ 0

0 ݅௦௫ ‫ܮ‬௠ ݅௦௬ 0 ൪ ൦݅௥௫ ൪ ‫ܮ‬௥௥ ݅௥௬

(3.49)

Berdasarkan matriks diatas, maka didapatkan persamaan berikut ini: ߰௦௫ = ‫ܮ‬௦௦ ݅௦௫ + ‫ܮ‬௠ ݅௥௫

(3.50)

0 = ‫ܮ‬௦௦ ݅௦௬ + ‫ܮ‬௠ ݅௥௬

(3.51)

Persamaan diferensial tegangan rotor yaitu [20]: T୰

T୰

ୢ୧౨౮ ୢ୲

ୢ୧౨౯ ୢ୲

+ ݅௥௫ =

+ ݅௥௬ =

௏ೝೣ ோೝ

௏ೝ೤ ோೝ

+ (ω୶ − ω୰ )ܶ௥ ݅௥௬ − (ߪ௥ − ܶ௥ )

ୢ୧ౣ౩ ௗ௧

+ (ω୶ − ω୰ )(ܶ௥ ݅௥௫ + (ߪ௥ − ܶ௥ )i୫ୱ

Nilai dari konstanta time rotor T୰ = ୖ

ୈ

౨ ୐౩౩

dan ߪ௥ =

(3.52) (3.53)

௅ೝೝ ோೝ

Dari matriks didapat rumus arus stator dan rotor pada bidang x dan y [20]: ݅௦௫ = ௅೘ (݅௠௦ − ݅௥௫ ) ௅

ೞೞ

݅௦௬ = − ௅೘ ݅௥௬ ௅

ೞೞ

(3.54) (3.55)

Persamaan daya yang terukur (Pmeas) [20]: ܲ௦ = ଶ ܸ௦௬ ݅௥௬ ଷ

ܳ௦ = ଶ ܸ௦௬ ݅௦௫ ଷ

(3.56) (3.57)


49

Dari persamaan maka didapatkan persamaan berikut [20]: ܲ௦ = ଶ ௅೘ ܸ௦௬ ݅௦௬ ଷ௅

ೞೞ

(3.58)

ܳ௦ = (ଶ ௅೘ ݅௠௦ − ݅௥௫ )ܸ௦௬ ଷ௅

ೞೞ

(3.59)

Persamaan [3.52], [3.53] dan [3.58], [3.59] untuk memodelkan sistem kendali P&Q control. Bidang x menunjukkan komponen d dan bidang y menunjukkan komponen q.

Keterangan: ݅௠௦ ݅௦௬

ܸ௥௫ ݅௥௬

: arus magnetizing stator : arus stator bidang y : tegangan rotor bidang x : arus rotor bidang y

݅௦௫

ܸ௦௬

ܸ௥௬ ݅௥௫

: arus stator bidang x : tegangan stator bidang y : tegangan rotor bidang y : arus rotor bidang x


50

BAB IV SIMULASI PLTB

Bab empat akan menjelaskan mengenai pembuatan model simulasi dengan mempergunakan MATLAB/Simulink untuk tiap komponen Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) untuk kecepatan berubah-ubah (variabel speed) dan menggunakan generator induksi doubly fed tanpa konverter. Model lengkap dari Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) di simulink dapat dilihat pada Lampiran. Untuk model dengan MATLAB/Simulink terdiri dari angin, turbin angin, drive train, generator induksi doubly fed, P&Q Control, sumber tegangan tiga fasa (R,S,T). Model simulasi yang dibuat didasarkan pada model simulasi pada [7] dengan melakukan pengembangan pada beberapa model agar sesuai dengan maksud penelitian ini. Turbin angin dipasang pada ketinggian 10 meter dari permukaan tanah dengan kecepatan angin nominal 10 m/s. Turbin angin dapat digunakan dengan kecepatan angin minimal 5,9 m/s.

4.1

Angin Model angin pada simulink ditunjukkan pada Gambar 4.1. Angin dimodelkan

menggunakan toolbox white generator. Angin terdiri dari kecepatan rata-rata (v_mean) dan turbulen angin (Kaimal Filter 1,2,3). Untuk model spektum Kaimal dapat dilihat pada Lampiran. Parameter pada model angin termuat pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1. Parameter toolbox model angin No

Parameter

1

Diameter rotor (m)

2

Kecepatan rata-rata angin (m/sec)

3

Panjang blade (m)

4

Intensitas turbulensi (%)

5

Waktu sampling (sekon)


51

Gambar 4.1. Model Angin

4.2

Rotor Turbin Angin Pemodelan aerodinamik dari rotor turbin angin tergantung dari koefisien Cp.

Rotor dimodelkan mengacu pada persamaan 3.9. Pemodelan turbin angin mengacu pada model angin pada toolbox Matlab yang sudah dimodifikasi untuk mendapatkan nilai daya turbin (Pm) dan torsi (Tm) yang diinginkan. Berikut ini model dari turbin angin sesuai Gambar 4.2.


52

Gambar 4.2. Model rotor turbin angin

Parameter untuk model rotor turbin angin adalah diameter rotor, densitas udara, nilai cut-in dan cut-out kecepatan angin. Sudut gerak maju baling-baling (pitch angle) adalah 0° sesuai Tabel 4.2.

Tabel 4.2. Parameter toolbox model turbin angin No

Parameter

1

Densitas udara (Kg/m3)

2

Radius blade (m)

3

Cut out speed (m/s)

4

Cut in speed (m/s)


53

4.3

Drive Train Model drive train yang digunakan adalah model single mass.

Gambar 4.3. Model drive train single mass

Parameter pada blok drive train sesuai pada Tabel 4.3.

Tabel 4.3. Parameter toolbox model drive train No

4.4

Parameter

1

Generator- Moment Inersia (Kgm2)

2

Rotor Turbin angin- Momen Inersia (Kgm2)

3

Rasio Gearbox

4

Initial condition (omg_wt [rad/s])

Generator Induksi Doubly Fed Pada Gambar 4.4 terlihat model simulink generator. Model generator induksi

mengacu pada [20].


54

Gambar 4.4. Model generator


55

Berikut ini parameter generator induksi doubly fed Tabel 4.4. Parameter toolbox model generator No

4.5

Parameter

1

Stator parameter [Rs(ohm), Lsgm_s (H)]

2

Rotor parameter [Rr(ohm), Lsgm_r (H)]

3

Induktansi Magnetizing (H)

4

Jumlah kutub (sepasang)

5

Initial condition [ids,iqs,idr,iqr,theta]

P&Q Control Sistem kendali untuk simulasi ini menggunakan toolbox P&Q control yang

ditunjukkan pada Gambar 4.5 [7] .

Gambar 4.5. Model P&Q Control


56

Untuk model PI regulator 1 dan PI regulator 2 terlihat pada Gambar 4.6 dan Gambar 4.7.

Gambar 4.6. Model PI regulator1

Gambar 4.7. Model PI regulator2

Berikut ini parameter yang terdapat pada toolbox P&Q Control sesuai Tabel 4.5 dan nilainya tercantum pada Tabel 5.3.


57

Tabel 4.5. Parameter toolbox P&Q Control No

Parameter

1

Elektrik parameter [Rs Lsgm_s Rr Lsgm_r Lm]

2

Jumlah kutub (sepasang)

3

Frekuensi (Hz)

Lookup table daya digunakan untuk membatasi daya referensi pada P&Q control. Sehingga, daya referensi maksimal besarnya sama dengan daya turbin saat nilai kecepatan rotasi turbin angin 6,705 rad/s yaitu Pref = 1,6 MW. Sedangkan, pengaturan torsi dilakukan dengan menggunakan lookup table torsi. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan nilai torsi yang tidak terlalu besar saat kecepatan rotasi turbin angin berubah-ubah. Besarnya torsi akan sebanding dengan torsi turbin maksimal dibagi rasio roda gigi.

4.6

Sumber Tegangan Tiga Fasa(uRST) Berikut ini model simulink dari sumber tegangan tiga fasa line R, S dan T

Gambar 4.8. Model uRST


58

BAB V SIMULASI DAN ANALISA HASIL

Simulasi bertujuan untuk mengendalikan torsi (torque control) dan daya output (power control) turbin angin akibat kecepatan angin yang berbeda-beda. Sehingga, perubahan kecepatan angin tidak terlalu mempengaruhi daya output dari yang keluar dari pembangkit listrik tenaga bayu. Simulasi ini menggunakan proposional plus integral (PI) sebagai kontroler daya aktif dan reaktif (P&Q control) dan lookup table sebagai pengendali daya referensi (Pref) dan torsi turbin angin. Lookup table daya digunakan membatasi nilai daya referensi pada P&Q Control. Sedangkan, lookup table torsi bertujuan untuk mengontrol nilai torsi turbin angin yang digunakan untuk menimbulkan torsi elektromagnetik pada drive train (Tem). Kedua parameter tersebut dipengaruhi oleh kecepatan rotasi turbin yang selalu berubah-ubah. Lookup table Pref (terlampir pada Tabel A6) merupakan korelasi antara nilai daya output turbin (Pm) dan kecepatan rotasi turbin angin ωwt . Lookup table torsi (terlampir pada Tabel A7) adalah hubungan antara torsi turbin angin dengan kecepatan rotasi turbin.

5.1

Sistem Mekanik Sistem mekanik di simulink terlihat pada Gambar 5.1. Untuk model dari

sistem turbin angin secara lengkap dapat dilihat pada lampiran.

Gambar 5.1. Sistem mekanik


59

Berdasarkan Gambar 5.1, cara kerja sistem turbin mekanik adalah kecepatan angin melewati rotor turbin angin menghasilkan daya turbin (Pm). Torsi turbin (Tm) digunakan untuk menggerakan rotor generator melalui roda drive train dan menimbulkan torsi elektromagnetik (Tem). Selanjutnya, generator yang berputar dengan kecepatan rotasi sebesar (ωem) menghasilkan torsi elektrik (Te). Turbin yang digunakan termasuk TASH (turbin angin sumbu horizontal) dengan asumsi memiliki tiga buah sudu, sudut pitch turbin angin adalah 0°, diameter rotor adalah 24 meter dan dipasang dengan ketinggian 10 meter dari permukaan tanah. Berikut ini gambar dari turbin angin yang telah dimodelkan.

Gambar 5.2. Profil turbin angin


60

5.1.1 Karakteristik Turbin Model mekanik pada simulink didesain dengan karakteristik turbin angin yang terlihat pada Gambar 5.2. Berdasarkan Tabel 5.1, hubungan antara λ dan Cp merupakan karakteristik turbin terjadi pada saat β =0.

Tabel 5.1. Karakteristik Turbin Angin No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Λ 1,607 2,008 3,638 4,216 4,446 4,740 5,037 5,369 5,739 6,685 7,275 8,046 8,878 9,997 11,43 13,33

Cp 0,011 0,015 0,102 0,167 0,194 0,230 0,267 0,308 0,349 0,432 0,464 0,480 0,467 0,404 0,265 0,100

(Sumber: Berdasarkan simulasi)

Saat tip speed ratio (TSR) berada pada 8,046 didapatkan power coefficient tertinggi yaitu 0,48. Setelah berada pada titik optimumnya, turbin angin akan menuju nilai 0,1 untuk TSR (13,33) maksimal. Berikut grafik karakteristik turbin angin sesuai Gambar 5.3.


61

Karakteristik Turbin 0.6

Power Coeffisient

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 0

2

4

6

8

10

12

14

Lambda

Gambar 5.3. Karakteristik Turbin angin (Sumber: Berdasarkan simulasi)

5.1.2 Grafik Hubungan Daya Keluaran Terhadap Kecepatan Rotasi Turbin Grafik hubungan daya keluaran (Pm) terhadap kecepatan rotasi turbin dengan kecepatan angin rata-rata 8-12 m/s. Dari Gambar 5.4 didapatkan saat kecepatan angin rata-rata 12 m/s merupakan daya output turbin angin maksimal yaitu 2,48 MW dengan kecepatan rotasi turbin 6,685 rad/s. Data-data dapat dilihat pada Tabel A1-A5 pada lampiran A1. Berikut grafik Pm terhadap ωwt.


62

Grafik Daya keluaran 3000000

Daya output

2500000

v=8

2000000

v=9 v=10

1500000

v=11 v=12

1000000

500000

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Kecepatan Rotasi Turbin (rad/s)

Gambar 5.4. Daya output turbin angin (Sumber: Berdasarkan simulasi)

Dalam simulasi, turbin angin akan bekerja optimal saat kecepatan angin ratarata sebesar 6-10 m/s dengan nilai power coefficient berada pada range lebih dari 0,3. Pada saat kecepatan angin rata-rata lebih dari 10 m/s nilai Cp berada nilai minim.

5.2

Uji Kinerja Kendali Daya Kendali daya yang dipakai adalah kendali proposional plus integral (PI) yang

tergantung pada gain (Kp) dan konstanta integral (Ki atau 1/Ti). Untuk uji kendali dilakukan saat sistem turbin bekerja dengan Kp dan Ki masing-masing 0,0001 dan 10 dengan kecepatan angin diubah-ubah yaitu 6 m/s, 7 m/s , 8 m/s, 9 m/s dan 10 m/s.


63

5.2.1 Spesifikasi Parameter Berikut ini nilai masing-masing komponen turbin angin. Tabel 5.2 dan Tabel 5.3 memuat data teknik sistem turbin untuk simulasi [20].

Tabel 5.2. Parameter Komponen Mekanik Angin

Turbin Angin

Diameter rotor : 24 m Densitas udara: 1,225 kg/m3 Panjang skala : 600 m Radius Blade : 12 m Waktu sampling : 0,05 sec Cut in 3 m/s Cut out 14 m/s

Drive Train n1 : 1 n2 : 30 Jem : 90 Kgm2 Jwt : 49,5x105 Kgm2 Initial condition: 6,705

Tabel 5.3. Parameter Generator Generator Rs : 0,01 ohm Lsgm_s : 95,5 µH Rr : 0,01 ohm Lsgm_r : 95,5 µH Lm : 95,5 mH f : 50 Hz p :2 ids :0 iqs :0 idr :0 iqr :0 theta : 0

Untuk

P&Q Control p : 2 Rs : 0,01 ohm Lsgm_s : 95,5 µH Rr : 0,01 ohm Lsgm_r : 95,5 µH Lm : 2.9936 mH

menentukan parameter insial kondisi (initial condition)

pada

parameter ids,iqs, idr ,iqr dan theta dicari titik operasinya melalui Matlab.


64

5.2.2 Sistem Turbin Bekerja Pada Kecepatan Tidak Konstan Simulasi ini dilakukan dengan kecepatan angin 6 m/s,7 m/s, 8 m/s, 9 m/s dan 10 m/s. Untuk parameter PI pada P&Q Control yaitu Kp adalah 0,0001 dan Ki adalah 10. Kecepatan rotasi turbin angin yang dihasilkan sesuai Gambar 5.5 dengan kecepatan angin berubah-ubah.

GRAFIK KECEPATAN ROTASI TURBIN ANGIN 6.8

6.6

Kecepatan Rotasi Turbin (rad/s)

6.4

6.2

6

5.8

5.6

5.4

5.2

5

0

50

100

150

200

250

waktu simulasi (detik)

Gambar 5.5. Kecepatan rotasi turbin

Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui kinerja turbin angin dengan melihat daya turbin, torsi turbin dan power coefficient ketika kecepatan angin tidak konstan.

5.2.2.1 Kecepatan Angin 6 m/s Simulasi pertama dijalankan selama 250 detik dan kecepatan angin rata-rata disetting 6 m/s dan intesitas turbulensi 2 persen. Parameter pengendali PI disetting Kp adalah 0,0001 dan Ki adalah 10. Adapun respon dari sistem turbin angin yang didapatkan dari simulasi, yaitu power coefficient, daya turbin, torsi turbin angin dapat dilihat pada gambar dibawah ini.


65

GRAFIK POWER COEFFICIENT 0.45

0.4

0.35

0.3

Cp

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

-0.05

0

50

100

150

200

250

200

250


Gambar 5.6. Cp (v=6 m/s, turbulensi 2 persen)

4

6

GRAFIK DAYA TURBIN ANGIN

x 10

5

Daya Turbin (Watt)

4

3

2

1

0

-1

0

50

100

150 waktu simulasi (detik)

Gambar 5.7. Daya turbin (v=6 m/s, turbulensi 2 persen)


66

GRAFIK TORSI TURBIN ANGIN 12000

10000

T ors i T urbin (Nm )

8000

6000

4000

2000

0

-2000

0

50

100

150

200

250


Gambar 5.8. Torsi turbin (v=6 m/s, turbulensi 2 persen)

5.2.2.2 Kecepatan Angin 7 m/s Simulasi kedua dilakukan dengan waktu simulasi selama 250 detik. Kecepatan angin rata-rata disetting sebesar 7 m/s dan intensitas turbulensi 2 persen. Parameter Kp dan Ki masing-masing adalah 0,0001 dan 10. Berikut grafik respon power coefficient (Cp), daya turbin dan torsi turbin.


67


0.45

Cp

0.4

0.35

0.3

0.25

0

50

100

150

200

250



4

9


x 10

8.5

8

Daya Turbin (Watt)

7.5

7

6.5

6

5.5

5

4.5

4

0

50

100

150

200

250


Gambar 5.10. Daya turbin ( v=7 m/s, turbulensi 2 persen)


68

4

1.8

GRAFIK TORSI TURBIN ANGIN

x 10

1.6

Tors i Turbin (Nm )

1.4

1.2

1

0.8

0.6

0

50

100

150

200

250


Gambar 5.11. Torsi turbin (v=7 m/s , turbulensi 2 persen)

5.2.2.3 Kecepatan Angin 8 m/s Simulasi ketiga dilakukan dengan waktu simulasi selama 250 detik. Kecepatan angin rata-rata disetting sebesar 8 m/s dan intensitas turbulensi 2 persen. Parameter Kp dan Ki masing-masing adalah 0,0001 dan 10. Berikut grafik respon power coefficient (Cp), daya turbin dan torsi turbin.


69


0.48

0.47

0.46

Cp

0.45

0.44

0.43

0.42

0.41

0.4

0.39

0

50

100

150

200

250



4

11.5


x 10

11

Daya Turbin (Watt)

10.5

10

9.5

9

8.5

8

0

50

100

150

200

250




70

4

2.2


x 10

2.1

2

Tors i T urbin (Nm )

1.9

1.8

1.7

1.6

1.5

1.4

1.3

1.2

0

50

100

150

200

250



5.2.2.4 Kecepatan Angin 9 m/s Simulasi keempat dilakukan dengan waktu simulasi selama 250 detik. Kecepatan angin rata-rata disetting sebesar 9 m/s dan intensitas turbulensi 2 persen. Parameter Kp dan Ki masing-masing adalah 0,0001 dan 10. Berikut grafik respon power coefficient (Cp), daya turbin dan torsi turbin.


71


0.48

0.47

Cp

0.46

0.45

0.44

0.43

0.42

0

50

100

150

200

250



5

1.3


x 10

1.28

Daya Turbin (Watt)

1.26

1.24

1.22

1.2

1.18

1.16

0

50

100

150

200

250




72

4

2.5


x 10

2.4

Torsi Turbin (Nm)

2.3

2.2

2.1

2

1.9

1.8

0

50

100

150

200

250



5.2.2.5 Kecepatan Angin 10 m/s Simulasi dilakukan selama 70 detik. Kecepatan angin disetting 10 m/s dan intensitas turbulensi 2 persen. GRAFIK POWER COEFFICIENT 0.48

0.46

Cp

0.44

0.42

0.4

0.38

0.36

0

50

100

150

200

250


Gambar 5.18. Cp (v= 10 m/s , turbulensi 2 persen)


73

5

1.6


x 10

1.55

Daya Turbin (Watt)

1.5

1.45

1.4

1.35

1.3

1.25

0

50

100

150

200

250


Gambar 5.19. Daya turbin (v= 10 m/s , turbulensi 2 persen)

4

2.65


x 10

2.6

Torsi Turbin (Nm)

2.55

2.5

2.45

2.4

2.35

0

50

100

150

200

250


Gambar 5.20. Torsi turbin (v= 10 m/s , turbulensi 2 persen)


74

BAB VI KESIMPULAN

6.1

Kesimpulan Turbin angin bekerja sesuai karakteristik turbin, simulasi ini disetting dengan

kecepatan rata-rata 10 m/s untuk mendapatkan maksimum power coefficient (Cp) 0,48;

kecepatan rotasi turbin sebesar 6,705 dan

TSR

adalah 8,046. Setelah

dilakukan simulasi, power coefficient (Cp) yang didapat stabil pada angka 0,48 saat kecepatan angin rata-rata 8 m/s. Kinerja turbin angin tidak optimal pada kecepatan angin lebih dari 12 m/s, hal ini disebabkan nilai Cp terlalu kecil. Untuk kecepatan rotasi turbin (ωwt) pada sistem turbin maka digunakan lookup table sehingga daya turbin sebagai Pref pada P&Q Control dan torsi yang digunakan untuk menggerakan poros generator (Tem) sesuai dengan nilai yang dibutuhkan sistem. Kinerja sistem turbin tergolong optimal. Hal ini terlihat dari daya turbin dan torsi turbin angin yang dihasilkan. Dengan kecepatan angin yang berfluktuatif tidak mempengaruhi output dari turbin angin. Pengendali proposional plus integral (PI) mampu menstabilkan sistem turbin dengan Kp adalah 0,0001 dan Ki 10 pada saat kecepatan angin 6-10 m/s akan menghasilkan kecepatan rotasi turbin konstan pada nilai 5,26 rad/s.

6.2

Saran Sistem turbin perlu ditambahkan pengendali gerak maju baling-baling (pitch

control) dan pengendali kecepatan (speed control). Kendali sudut β bertujuan untuk mengontrol sudut β saat sistem turbin kelebihan beban atau kecepatan angin besar. Untuk pengendali kecepatan berfungsi mengatur kecepatan rotasi turbin angin.


75

DAFTAR REFERENSI

[1]

Daryanto Y. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. Balai PPTAGG-UPT-LAGG. 5 April 2007.

[2]

Muyeen S .M., Tamura Junji, Murata Toshiaki. Stability Augmentation of a Grid connected Wind Farm. Springer-Verlag Limited.2009.

[3]

Library.

http://www. EERE.com// wind_how/. How

wind turbines works.

November 30, 2006. [4]

Manwell J.F., McGowan J.G., Rogers A.L. Wind Energy Explained: Theory Design and Application. University of Massachusetts. John&Willey Ltd. 2002.

[5]

Ackermann

Thomas. Wind Power in Power Systems. Royal Institute of

Technology Stockholm. John&Willey Ltd. 2005. [6]

Hidayat Taufik. Tesis: Simulasi Sistem Pembangkit Listrik Hibrid Dengan Pemanfaatan Potensi Energi Terbarukan Di Kampus UI, Depok. 1997.

[7]

R.Gilbert. Regulatory choices:A perspective on developments in energy policy, Mathematical and Computational Applications. pp. 10–17, December 2007.

[8]

Modul Dasar Fisika energi: Bab 6 Energi Angin. Universitas Gunadarma.

[9]

Munteanu Iulian., Bratcu Iuliana Antoneta., Cutululis-Antonio Nicolaos., Ceang Emil. Optimal Control of Wind Energy Systems: Towards a Global Approach. Springer-Verlag London Limited. 2008.

[10]

Syamsuddin Y Eniman., W.D Ida Aciek. Diktat Kuliah : Sistem Kendali. ITB. 2001.

[11]

Rahmat Basuki. Diktat Dasar Sistem Kontrol. Sekolah Tinggi Teknologi Telekomunikasi. 2004.

[12]

Jobling C. P. EE208: Part II Control Systems. Department of Electrical And Electronic Engineering. 15 February 1997.

[13]

Ali Muhammad. Pembelajaran Perancangan Sistem Kontrol PID Dengan Software MATLAB. Elektro Vol.1, No 1, Oktober 2004.

[14]

Sørensen Poul., Hansen D Anca., Iov Florin, Blaabjerg Frede. Modeling of wind farm controllers. Risø National Laboratory.


76

[15]

Bianchi D. Fernando, Battista De Hernán, Mantz J. Ricardo. Wind Turbine Control Systems: Principles, Modelling and Gain Scheduling Design. Springer-Verlag London Limited. 2007.

[16]

Neammanee

Bunlung.,

Chatratana Somchai. Maximum Peak Power

Tracking Control for the new Small Twisted H-Rotor Wind Turbine. King Mongkut’s Institute of Technology North Bangkok. [17]

Adegas Daher Fabiano., Villar Alé – villar Antonio Jorge., Reis Soares dos Fernando., Simioni Cirilo da Silva Gabriel., Tonkoski Reinaldo. Maximum Power

Point Tracker For Small Wind Turbine Including Harmonic

Mitigation. 2006 European Wind Energy Conference & Exhibition. [18]

Petersson Andreas. Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy: Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines. Chalmers University of Technology. 2005.

[19]

Mathworks 2008. MATLAB Grafics Reference Manual. Marthworks Inc.

[20]

Sorensen Poul., Hansen Daniela Anca., Iov Florin., Blaabreg. Wind Turbine in Matlab/Simulink : General Overview and Description of the Models. Aalborg University.

[21]

Aouzellag

D.,

Ghedamsi

K.,

Berkouk

E.M. Power Control of a

Variable Speed Wind Turbine Driving an DFIG. A.Mira University. Algeria. [22]

Salman S. K., Babak Badrzadeh. New Approach for modelling Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) for grid-connection studies. The Robert Gordon University.


LAMPIRAN A

Tabel A1 No

Tabel A2 V=8 m/s

Ωwt(rad/s)

V=9 m/s

Pm(Watt)

No

Ωwt(rad/s)

Pm (Watt)

1

3,091

370000

1

3,095

375000

2

3,651

545000

2

3,652

598000

3

4,059

654000

3

4,061

759000

4

4,346

716000

4

4,351

862000

5

5,272

816000

5

5,276

1100000

6

6,665

688000

6

6,658

1130000

7

8,747

70900

7

8,756

572000


Tabel A3 No

Tabel A4 V=10 m/s

Ωwt (rad/s)

No

Pm (Watt)

V=11 m/s Ωwt (rad/s)

Pm (Watt)

1

3,097

363000

1

3,092

3410000

2

3,624

613000

2

3,653

613000

3

4,027

805000

3

4,063

849000

4

4,344

961000

4

4,345

1020000

5

5,28

1350000

5

5,286

1560000

6

6,705

1600000

6

6,66

2050000

7

8,786

119000

7

8,792

1910000


77 Universitas Indonesia

Pengembangan simulasi..., Ungu Primadusi, FT UI, 2010

78

Tabel A5 No

V=12 m/s

Ωwt (rad/s)

Pm (Watt)

1

3,096

321000

2

3,65

590000

3

4,062

850000

4

4,335

1030000

5

5,286

1710000

6

6,685

2480000

7

8,805

269000


A6 (Lookup table Daya) No

Ωwt (rad/s)

Pref (Watt)

1

3,091

37000

2

3,095

375000

3

3,624

613000

4

4,062

850000

5

4,344

961000

6

6,705

1600000


A7 (Lookup table Torsi) No

Ωwt (rad/s)

Pref (Watt)

1

3,091

11970

2

3,095

121163

3

3,624

169150

4

4,344

221224

5

6,705

238000


Universitas Indonesia


79

LAMPIRAN B



80

LAMPIRAN C Inisialisasi Model simulink 1. Angin

Kaimal Filter 1

Kaimal Filter 2

Kaimal Filter 3 Parameter toolbox angin: Diameter rotor (m) Kecepatan rata-rata angin (m/sec) Panjang Blade (m) Intensitas turbulensi (%) Waktu sampling (sekon)

:D_rotor :v_mean :roughness :turb_int :T_sample

r = D_rotor/2; sigma = v_mean*turb_int/100; var = sigma^2; c = roughness/(2*pi*v_mean); d = r/v_mean; trans=sigma*sqrt(roughness/v_mean); random=[256, 894, 31];



81

2. Turbin Angin Densitas udara Diameter rotor Cut out speed (m/s) Cut in speed (m/s)

: : : :

ro_air R cut_out cut_in

3. Drive Train Parameter toolbox drive train Generator- Moment Inersia (Kgm2) Rotor Turbin angin- Momen Inersia (Kgm2) Rasio Gearbox Initial condition (omg_wt [rad/s])

: : : :

Jem Jwt K init_speed

inisialisasi J=Jem*K^2+Jwt;

4. Generator induksi Parameter toolbox: Stator parameters [Rs (ohm), Lsgm_s (H)] Rotor parameters [Rr (ohm), Lsgm_r (H)] InduktansiMagnetizing [H] Jumlah Kutub (sepasang) Initial conditions [ids iqs idr' iqr' theta]

:stator :rotor :Lm :p :x0

Inisialisasi: Rs=stator(1); Lsgm_s=stator(2); Rr=rotor(1); Lsgm_r=rotor(2); Lss=Lsgm_s+Lm; Lsr=Lsgm_r+Lm; sigma=1-(Lm*Lm)/(Lss*Lsr);

5. P&Q Control sgm_s sgm_s1 sgm_s2

: Lss/Lm : Lss/Lm : -Lss/Lm

Parameter toolbox P&Q control: Jumlah kutub (sepasang) :p Rs Lsgm_s Rr Lsgm_r Lm : param Frekuensi : fs

Inisialisasi toolbox: Rs=param(1); Lsgm_s=param(2); Rr=param(3); Lsgm_r=param(4); Lm=param(5); Lss=Lsgm_s+Lm; Lrr=Lsgm_r+Lm; D=Lss*Lrr-Lm^2; T=D/Lss; Tpr=(Lm^2)/Lss; tau_1=T/Rr; tau_2=Rr;



PENGEMBANGAN SIMULASI DAN UJI KINERJA PENGENDALI PI SISTEM KENDALI DAYA PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU SKRIPSI UNGU PRIMADUSI

Recommend Documents